Электронные ключи и методы формирования импульсных сигналов, Общие сведения об электронных ключах — Электронная техника.Ч.2 Схемотехника электронных схем

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В).

Поэтому в них применяются специальные

где есть управляющий р–n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

  1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
  2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
  3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
  4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Быстродействие

Этот параметр зависит от максимальной допустимой частоты, когда может осуществляться переключение сигналов. Это в свою очередь зависит от длительности переходного процесса, что определяется инерционностью транзистора, а также влиянием паразитных параметров.

Для характеристики быстродействия логического элемента часто указывают среднее время, которое происходит при задержке сигнала, при его передаче в транзисторный ключ. Схема, отображающая его, обычно именно такой усреднённый диапазон отклика и показывает.

Взаимодействие с другими ключами

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей.

Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Контрольные вопросы

  • 1. На чем основана работа диода?
  • 2. Приведите классификацию тиристоров.
  • 3. Назовите отличие полностью управляемых электронных приборов от неполностью управляемых.
  • 4. Что такое тиристор?
  • 5. Опишите способы коммутации тиристоров.
  • 6. Перечислите достоинства и недостатки тиристорного ключа, запираемого импульсом обратного тока.
  • 7. Расскажите об особенностях силовых транзисторов IGBT.
  • 8. Назовите основные параметры импульсов.
  • 9. Опишите назначение и виды электронных ключей.
  • 10. Какие импульсы называются периодическими?
  • 11. Что такое длительность импульса?
  • 12. Каково назначение дополнительного тиристора в схема с двухступенчатой коммутацией.
  • 13. Что такое широта и частота импульсов?
  • 14. Перечислите достоинства и недостатки тиристорного ключа, запираемого обратным напряжением.
  • 15. Приведите особенности ключа на запираемом тиристоре GTO.
  • 16. Что такое скважность импульсов?

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или

Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р–n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В.

А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел.

С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

  1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
  2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
  3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В.

Читайте также:  Соглашение (договор) с ПФР об обмене документами через Интернет и порядок документооборота

Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода.

В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения.

Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,4562=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1,00028 = 14,642,9 Ом.

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой.

В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Электронные ключи

Электронные ключи, применяемые в преобразователях и системах автоматики, выполняют функции быстродействующих коммутирующих элементов схемы. В качестве коммутирующих элементов в ключах применяются транзисторы и тиристоры.

Существуют несколько разновидностей схем ключей.

Работа транзисторных ключей основана на физических процессах, происходящих в транзисторе в моменты его открытия и закрытия.

Рассмотрим физические процессы, проходящие в транзисторе при его работе в схеме электронного ключа с резисторной связью (рис. 1.4, а). Предположим, в исходном состоянии на вход цепи подается обратное напряжение, при котором эмиттерный переход включен в непроводящем направлении (режим отсечки).

Если поменять полярность входного сигнала, то эмиттерный переход оказывается включенным в проводящем направлении, при этом происходит рост тока базы /б (рис. 1.4, в). Транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и далее в режим насыще-

Схема электронного ключа (а) и временные диаграммы изменения

Рис. 1.4. Схема электронного ключа (а) и временные диаграммы изменения: входного напряжения UBX (б), тока базы /б(в), заряда базы @б и тока коллектора /к(г)

ния. В этот момент заряд базы 0б достигает граничного значения Qrp = 4н (Рис- !-4. г>-

В интервале времени fj —t2 происходит накопление избыточного заряда. В момент времени t2 входной сигнал резко меняет свою полярность, а следовательно, изменяется и полярность тока базы. Начинается процесс рассасывания избыточного заряда.

Обратный ток базы протекает как через эмиттерный переход, так и через коллекторный, поэтому импульс тока /к в момент времени t2 увеличивается скачком. В момент времени t3 заряд уменьшается до граничного значения и транзистор выходит из насыщения.

Таким образом, меняя полярность управляющего напряжения или тока во входной цепи, можно переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и наоборот. Скорость переключения транзистора зависит от физических параметров, которые характеризуют его инерционность при работе с сигналом высокой частоты. К ним относятся емкость переходов, время жизни носителей зарядов и др.

Работа транзисторного ключа на транзисторе IGBT. Биполярный транзистор с изолированным затвором IGBT — полностью управляемый полупроводниковый прибор. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком.

Поведение транзистора IGBT при его открывании полностью определяется характеристикой заряда затвора. Упрощенные эпюры напряжения «затвор-эмиттер» UGE, тока затвора IG, тока коллектора /с и напряжения «коллектор-эмиттер» UCE в процессе перехода транзистора в насыщенное состояние представлены на рис. 1.5.

Читайте также:  Установка и настройка QUIK для ЭП - ВТБ Капитал Брокер

Процесс включения IGBT можно разделить на три этапа, которые связаны с первичным зарядом входной емкости CGE, зарядом емкости Миллера CGC и, наконец, полным зарядом CGE, идущим до насыщения транзистора.

На отрезке времени /0 происходит начальный заряд входной емкости затвора CGE. Для упрощения считаем, что заряд производится постоянным током, поэтому данному этапу соответствует первый линейный участок нарастания напряжения UGE, который продолжается до момента времени tv В этой точке напряжение затвора достигает порогового значения отпирания транзистора UGE(th). В зависимости

Упрощенный процесс включения транзистора IGBT

Рис. 1.5. Упрощенный процесс включения транзистора IGBT

от свойств транзистора и импеданса цепи управления, ток затвора /G на данном участке может достигать значения в несколько десятков ампер. Поскольку до точки /, напряжение затвора находится ниже порога отпирания, отсутствует ток коллектора /с, а напряжение «коллектор-эмиттер» UCE остается равным напряжению питания Ucc.

Как только сигнал управления становится выше порогового значения, начинается включение IGBT, характеризующееся ростом тока коллектора до значения, ограничиваемого нагрузкой (/сцоас^)- Сказанное справедливо при использовании идеального оппозитно- го диода, в реальных схемах амплитуда тока в момент включения несколько превышает величину Ic(load)

— Причиной этого является процесс обратного восстановления диода, в результате чего ток восстановления 1п. добавляется к /с на время перехода диода в непроводящее состояние. Именно поэтому напряжение UCE на отрезке времени /, остается на прежнем уровне.

Далее сигнал управления затвором достигает величины ^ge(/?/)’ носящей название «плато Миллера», она поддерживается в течение промежутков времени t2 и Ц. На этом же этапе после полного выключения оппозитного диода начинается спад напряжения коллектора UCE, скорость которого dUCE/dt во время t2 достаточно высока.

Она снижается на промежутке /3, в течение которого транзистор переходит в насыщенное состояние. Все это время емкость Миллера CCG возрастает и заряжается частью тока затвора /ос, что и обусловливает стабилизацию сигнала управления затвором на уровне UGE(p[).

В начале временного отрезка t4 транзистор уже полностью включен, а емкость CCG — заряжена. Экспоненциально спадающий ток затвора продолжает поступать во входную емкость CGE, доводя напряжение на ней до максимального значения ^ое(ол)’ определяемого схемой управления.

При выключении транзистора описанные процессы происходят в обратном порядке.

Тиристорные ключи применяются в силовых схемах, где переключение происходит при мощности примерно сотни киловатт. В них могут использоваться обычные (однооперационные) и запираемые (двухоперационные) тиристоры. При использовании обычных тиристоров широко применяются двухтиристорные схемы коммутации, в которых выключение главного (силового) тиристора осуществляется приложением обратного напряжения или пропусканием импульса обратного тока.

Главный тиристор совместно со схемой коммутации представляет собой ключ для бесконтактного замыкания и размыкания цепи постоянного тока.

Главной проблемой при эксплуатации импульсных преобразователей с тиристорами является коммутация тиристоров. Включение тиристора в цепи постоянного тока осуществляется путем подачи на анод и управляющий электрод положительного потенциала. Для выключения тиристора недостаточно снять с управляющего электрода положительный потенциал; необходимо еще уменьшить анодный ток ниже тока удержания или подать на катод положительный потенциал (обратная полярность), по времени равный времени выключения, или кратковременно разорвать цепь питания тиристора, но при этом прервется и рабочий ток, проходящий через нагрузку, что в условиях эксплуатации тиристоров нежелательно.

Различают естественную и искусственную коммутацию. Естественная коммутация применяется при использовании тиристоров в схемах переменного тока, например выпрямителях. Тиристор выключается при уменьшении тока во время перехода через ноль. При искусственной коммутации выключение тиристора осуществляется с помощью специальных электронных схем, которые имеют вспомогательные источники энергии постоянного (импульсного) тока или с помощью предварительно заряженных конденсаторов.

Если коммутация происходит с рабочими тиристорами, то ее называют прямой или одноступенчатой, а если с помощью вспомогательного тиристора — двухступенчатой. Для управления тиристорами применяются специальные схемы в виде мультивибраторов, триггеров или других электронных ключей.

Одной из основных проблем работы схем преобразователей с некоторым количеством тиристоров является обеспечение задержки включения следующего тиристора, в течение которого должны восстановиться запирающиеся свойства тиристора, выходящего из работы (угол запаса 5). Отсутствие этой задержки может привести с короткому замыканию в схемах выпрямителей или опрокидыванию инверторов.

В зависимости от схемы коммутационного узла различают тиристорные ключи постоянного тока, запираемые приложением обратного напряжения, и ключи, запираемые импульсом обратного тока.

Тиристорный ключ, запираемый приложением обратного напряжения. При включении вспомогательного тиристора VS2 коммутирующий конденсатор Ск заряжается от источника питания до некоторого напряжения Uc0 через цепь RL-нагрузки (рис. 1.6).

В момент fj включается главный тиристор VS1. Через него протекает полный ток нагрузки /н и ток колебательного перезаряда /с конденсатора Ск, который замыкается через диод VD1 и коммутирующий дроссель LK. Процесс перезаряда заканчивается в момент t2.

Читайте также:  Простая электронная подпись: что это такое, как получить

Установившаяся полярность напряжения на конденсаторе (знаки в скобках) соответствует готовности схемы к коммутации главного тиристора. Для запирания главного тиристора в момент /3 включается вспомогательный тиристор VS2 и к главному тиристору прикладывается в обратном направлении напряжение конденсатора Uc.

В момент /4 конденсатор полностью разрядится и на аноде тиристора VS1 вновь нарастает прямое напряжение. Интервал времени

Рис. 1.6. Тиристорный ключ, запираемый приложением обратного напряжения (а), и диаграмма его работы (б)

Электронные ключи и методы формирования импульсных сигналов, Общие сведения об электронных ключах - Электронная техника.Ч.2 Схемотехника электронных схем

f4 — /3=tn является временем, «предоставляемым» коммутационной схемой главному тиристору для выключения. Далее напряжение на нагрузке продолжает линейно снижаться до полного перезаряда конденсатора Ск от источника Un через тиристор VS2.

Тиристорный ключ, запираемый импульсом обратного тока. Схема ключа с мягкой коммутацией отличается от схемы тиристорного ключа запираемого приложением обратного напряжения (жесткой коммутацией) наличием обратного диода VD1, шунтирующего главный тиристор в обратном направлении (рис. 1.7).

Напряжение источника прикладывается к нагрузке. Конденсатор Ск перезаряжается на обратную полярность током /с1 по цепи главного тиристора VS1, диода VD2 и коммутирующего дросселя LK. В момент для выключения главного тиристора VS1 включается вспомогательный тиристор VS2.

В цепи Ск—LK—VS2—VS1—Ск возникает колебательный процесс перезаряда конденсатора. Ток /с2 в тиристоре VS1 направлен встречно току нагрузки в обратном направлении тиристора. Когда мгновенное значение тока /с равно мгновенному току нагрузки, тиристор обесточен.

Дальнейшее увеличение тока /с при неизменном токе нагрузки /н приводит к тому, что разность токов /с — /н замыкается по диоду VD1 обратного тока. При этом ток нагрузки /н продолжает замыкаться по цепи от источника питания через конденсатор Ск, дроссель LK и тиристор VS2.

Протекание тока по диоду VD1 в прямом направлении обуславливает приложение к главному тиристору VT1 обратного напряжения, равного прямому напряжению диода. На данном интервале f3—f4 тиристору «предоставляются» условия для выключения.

Ключ на запираемом тиристоре GTO. Управление запираемых тиристоров GTO идет по одному управляющему выводу прибора импульсами разной полярности, положительным на открывание и отрицательным на запирание (рис. 1.8).

Когда схема подключается к источнику постоянного напряжения, времязадающий конденсатор С1 заряжается. При достижении уровня пробоя динистора VD1 тиристор VS1 открывается и нагрузка оказывается под напряжением. Теперь конденсатор С2 начинает накаплиРис. 1.7. Тиристорный ключ, запираемый импульсом обратного тока (а), и диаграмма его работы (б)

Электронные ключи и методы формирования импульсных сигналов, Общие сведения об электронных ключах - Электронная техника.Ч.2 Схемотехника электронных схем

вать заряд до уровня пробоя динистора VD2, прикладывая напряжение на управляющий электрод тиристора VS1 относительно катода, что и выключает тиристор, далее цикл повторяется. Резистором регулируем частоту следования импульсов, а резистором R/ их длительность.

Параметры динисторов выбираются в зависимости от применяемого запираемого тиристора: обычно на открывание амплитуда управляющего импульса запираемого тиристора не превышает нескольких вольт, а на запирание 70—80 В. Можно обойтись без динисторов в управлении, используя отдельное двухполярное питание.

Тиристорный ключ на тиристоре GTO

Рис. 1.8. Тиристорный ключ на тиристоре GTO

Управление запираемым GTO-тиристором от источника однополярного напряжения. Эта схема (рис. 1.9) используется в преобразователе с внешним возбуждением на GTO-тиристоре мощностью 1200 Вт с частотой 20 кГц. При переключении транзистора VT1 из включенного состояния в выключенное и обратно (рис. 1.9) к управляющему электроду тиристора VS поступают как положитель-

Тиристорный ключ на GTO, управляемый от источника однополярного напряжения ные

Рис. 1.9. Тиристорный ключ на GTO, управляемый от источника однополярного напряжения ные (включающие), так и отрицательные (выключающие) импульсы. Амплитуда отрицательного импульса почти вдвое превышает напряжение источника питания этого транзистора.

Для данных условий (малая длительность и частота повторения импульсов) КПД этой схемы низок, большую часть времени транзистор VT1 будет открыт, рассеивая мощность на резисторе R3. Также важным параметром для тиристоров GTO является длительность включающего импульса.

При некоторых условиях (слабая нагрузка, высокая температура) GTO-тиристор может испытывать трудности быстрого защелкивания в состояние насыщения, если запускается очень короткими импульсами; при более длительных импульсах проблема исчезает. Более выгодным решением будет использование двухтактного выходного каскада на комплементарных парах транзисторов с двухполярным источником питания.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное.

Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector