Рис. 14.1. Структурная схема электронного ключа

Г л а в а 14

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ И ОГРАНИЧИТЕЛИ

14.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электронный ключ — это элемент, который под воздей­ ствием управляющих сигналов, изменяющихся во времени по заданному закону, осуществляет различные коммута­ ции, (включение и выключение) внешних цепей.

Встатическом режиме ключевое устройство находится

водном из двух состояний — включенном (замкнутом) и

Uex > К л ю я	выключенном (разомкнутом). При
	_ивых этом предполагается, что сопротив­
I Uy	ление замкнутого ключа равно ну­
	лю, а разомкнутого — бесконечно

велико.

Качество электронного ключа определяется следующими основны­ ми параметрами: падением напряжения на ключе в разомк­

нутом состоянии; током через ключ в замкнутом состоя­ нии; временем перехода (переключения) ключа из одного состояния в другое. Чем меньше все эти величины, тем вы­ ше качество ключа.

Структурная схема электронного ключа представлена на рис. 14.1. Ключ имеет вход, выход и управляющий вход. В электронных ключах часто входной сигнал выполняет функции управляющего. Для построения электронных ключей используются транзисторы, электронные лампы, полупроводниковые диоды, тиристоры.

В качестве входных, выходных и управляющих сигна­ лов в электронных ключах могут быть выбраны импульсы напряжения или уровни напряжения (потенциалы). В свя­ зи с этим различают импульсные, потенциальные и потен­ циально-импульсные ключевые схемы.

14.2. ДИОДНЫЕ КЛЮЧИ

Диодные ключи представляют собой простейший тип электронных ключей. Различают последовательные, парал­ лельные и двойные диодные ключи. На рис. 14.2, а — прин­ ципиальная схема последовательного диодного ключа, а на

рис. 14.2,	б — его амплитудная	характеристика.
Выходное	напряжение равно	цВых = ивх	R
			R + Яд • где

Яд — внутреннее сопротивление диода. При положитель­ ном входном сигнале диод открыт, его внутреннее сопро­ тивление Яд и выходное напряжение ы„ых « мвх, т. е. выходной сигнал повторяет форму и величину входного. При отрицательном входном напряжении диод закрыт, R R Я и «пых ->■ 0. Если изменить полярность включения диода, то амплитудная характеристика рис. 14.2, б повер­ нется на 180°.

а --------

S

ив*

Рис. 14.2. Принципиальная схема и амплитудная характеристика по­ следовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения

Рис. 14.3. Принципиальная схема и амплитудная характеристика пос­ ледовательного диодного ключа с ненулевым уровнем включения

Схеме рис. 14.2, а соответствует нулевой уровень вход­ ного напряжения, открывающего диод (нулевой уровень включения). Для изменения уровня включения последо­ вательно с диодом и резистором вводят источник напряже­ ния смещения Е . На рис. 14.3, а представлена схема клю­ ча с ненулевым уровнем включения, в котором изменение выходного напряжения происходит от некоторого начально­ го уровня Е у а на рис. 14.3, 6 — его амплитудная характе­ ристика. Штриховой линией (рис. 14.3,6) показана харак­ теристика схемы, в которой полярность источника Е изме­ нена на противоположную.

На рис. 14.4, а и б — схема и амплитудная характери­ стика ключа с ненулевым уровнем включения, в котором из­ менение выходного напряжения начинается от значения

Ивых == 0.

Схема параллельного диодного ключа приведена на рис. 14.5, а. Ключ обладает амплитудной характеристикой, показанной на рис. 14.5, б. Выходное напряжение опреде-

Рис. 14.4. Принципиальная схема и амплитудная характеристика пос­ ледовательного диодного ключа с ненулевым уровнем включения

Рис. 14.5. Принципиальная схема и амплитудная характеристика па­ раллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения

Рис. 14.6. Принципиальная схема и амплитудная характеристика па­ раллельного диодного ключа с ненулевым уровнем включения

с3--------- П	З —	■	- ------ С>		U«W|		U B * I
					U sxZ
1	5	3V *	1		7------	/	u B
					/
( ----------6		- »	' ■ с>		/
	V			/	У/

Рис. 14.7. Принципиальная схема и амплитудная характеристика па­ раллельного диодного ключа с ненулевым уровнем включения

ляется выражением иВых = ивх R	R.
	■, где /?д — внут­

реннее сопротивление диода. При положительном входном напряжении диод открыт, Rd <£ R и цпых ->■ 0. При отри­ цательном входном напряжении диод закрыт, /?д ^ R и Иных « Ивх, т. е. повторяет величину и форму входного напряжения. При изменении полярности включения диода амплитудная характеристика (рис. 14.5, б) повернется на 180°.

Для получения параллельных диодных ключей с нену­ левым уровнем включения применяются схемы с дополни­ тельными источниками напряжения смещения Е. Вариан­ ты схем ключей со смещением и их амплитудные характери­

стики представлены на рис. 14.6 и 14.7. Штриховой линией на рис. 14.6, б и 14.7, б показаны амплитудные характери­ стики схем ключей при изменении полярности источника смещения Е.

На рис. 14.8, а и б принципиальные схемы двойных диод­

	ных ключей, которые построены на		основе параллельных и
		VD1 VD2
		o-W-	У в ы х
		5 7/JDI2\ т	U8 X 2	А	*
	$	0 0J
			«8 - V	0 и м	' и 1 *
				б
	Рис. 14.8. Принципиальные схемы и		амплитудная	характеристика
		двойных диодных ключей

последовательных ключей, рассмотренных выше. Эти клю­ чи передают входной сигнал на выход, если входное напря­ жение находится в пределах границ, определяемых уров­ нями включения t/вхi первого и UBX2 второго ключей (рис. 14.8, в).

Для повышения быстродействия ключей нужно уменьшить их время переключения. Это достигается на практике приме­ нением малоинерционных диодов, например, диффузионных,

у которых время выключения примерно	равно 0,05 мко
(обычные диоды имеют время выключения ^	0,5 мкс).

14.3.ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

Втранзисторных ключах, в отличие от диодных, управ­ ляющая и управляемая цепи разделены. Транзистор в клю­ че обычно включается по схеме с общим эмиттером. Так как выходное и входное напряжения при таком включении сдвинуты по фазе на 180°, то такой ключ называется тран­ зисторным ключом-инвертором. Существуют также еще по­ вторяющие ключи, в которых транзистор включается по схе­ ме с общим коллектором.

14.3.1.Насыщенный ключ

Принципиальная схема транзисторного ключа с общим эмиттером представлена на рис. 14.9, а. В этой схеме исполь­ зуются два стационарных состояния — полностью откры­ тое состояние транзистора и полностью закрытое состояние транзистора. При этом рабочая точка транзистора переме­

щается по линии нагрузки каскада из области насыщения в область отсечки и обратно (рис. 14.9, б). Первое состояние транзистора определяется точкой А и называется режимом насыщения, а второе состояние — точкой В и называется

режимом отсечки.

Если транзистор необходимо перевести в режим отсеч­ ки, то на базе его нужно обеспечить напряжение t/бэ 0. При этом через цепь базы будет протекать ток /б, наиболь-

	EK/RK
	IK*
о	IKO
	0

Рис. 14.9. Принципиальная схема и выходные характеристики насы­ щенного транзисторного ключа

шая величина которого будет определяться максимальным начальным током коллекторного перехода / ко. Тогда вели­ чина напряжения на базе будет равна И^ъ = f/BX— hoRe и, следовательно, величина входного напряжения, обеспечи­ вающая режим отсечки ключа, должна выбираться из усло­

вия	Uвх >	IкоR6.
При переходе транзистора в режим насыщения ток базы
i6 ^	/ бН—	где /бн — ток базы транзистора на грани­

це насыщения; /кв — ток коллектора транзистора на грани­ це насыщения; р — коэффициент усиления транзистора по току. Токи насыщения транзистора определяются по схеме рис. 14.9, а:

	I кн —	£к — | и кнI
		Rк

где Um — напряжение коллектор — эмиттер в режиме насы­ щения (обычно имеет порядок нескольких десятков мил­ ливольт). Рассмотренный ключ называется насыщенным.

_ Во многих практических случаях применения транзи­ сторных ключей транзистор в режиме отсечки рассматрива­ ют как генератор начального тока / ко коллекторного перехо­ да, а в режиме насыщения — как эквипотенциальную точ­ ку, т. е. точку с единым потенциалом всех электродов.