Электронные ключи

Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый транзистор, диод, тиристор), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется наличием только двух стабильных состояний: «включено» - «выключено». В идеальном ключе, а такой можно реализовать при помощи замыкаемого электрического контакта — рис.4.3., в разомкнутом состоянии i = 0; U _вых = Е, а в замкнутом — i = E / R; U _вых = 0. Это значит, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а замкнутого равно нулю. При этом переход из одного состояния в другое происходит мгновенно.

В реальных ключах ток и напряжение в состояниях «включено» и «выключено» зависят от схемы и типа используемых активных элементов, а переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение определенного времени, определяемого электрической инерционностью элемента.

Наиболее часто в цифровой электронике используются транзисторные ключи. На рис.4.4 приведена схема широко используемого ключа на биполярном транзисторе по схеме ОЭ (а) и графики выходных коллекторных характеристик, совмещенных с линией нагрузки АВ (б). Линия нагрузки проводится по двум точкам с координатами и , так же, как для усилительного каскада.

Для обеспечения режима запирания на базу транзистора подается положительное (для p-n-p транзистора) смещение от специального источника смещения Е _см через резистор R _см. При этом входной сигнал U _вх отсутствует. В режиме запирания через резистор R _к, протекает незначительный обратный (тепловой) ток I _ко. Напряжение на коллекторе незначительно отличается от напряжения коллекторного питания:

Этому режиму соответствует точка M ₃ на линии нагрузки. Малое значение I _ко — один из критериев выбора транзистора для работы в ключе. Величину резистора в цепи смещения при заданном Е _см выбирают из расчета компенсации обратного тока при максимальной температуре и возможного отрицательного напряжения на входе

Режим открытого состояния достигается подачей входного напряжения отрицательной полярности, величина которого достаточна для создания такого базового тока, который приведет к полному открыванию транзистора. Обычно источником входного сигнала является коллектор аналогичного ключа в закрытом состоянии. Входной ток — должен быть такой величины, чтобы компенсировать положительное смещение и открыть транзистор до насыщения

где b — коэффициент усиления по току в схеме ОЭ, a S — коэффициент запаса по насыщению (S = 1,5–3). Сильное насыщение увеличивает скорость открывания транзистора, но уменьшает скорость закрывания. В режимах насыщения напряжение на коллекторе незначительно — так называемое остаточное напряжение U _ост, а ток максимален и ограничивается коллекторным сопротивлением

Открытому состоянию соответствует точка М_о на линии нагрузки.

Динамические параметры ключа характеризуются длительностью фронта t _a, длительностью среза t _c и временем задержки закрывания (временем релаксации) t _p, сильно зависящим от степени насыщения. Величины этих параметров зависят от типа транзистора и величины входного тока и находятся в пределах от долей до единиц мкс.

Кремниевые маломощные транзисторы имеют очень малое значение I _кo, поэтому иногда ключи реализуют без использования цепи смещения. В этом случае запирание транзистора осуществляют нулевым напряжением U _бэ, для этого между базой и эмиттером ставится резистор, величина которого должна быть достаточно мала.

Для повышения быстродействия ключа применяют ускоряющий конденсатор, шунтирующий входной резистор R _б. Ток перезаряда конденсатора во время переходных процессов ускоряет открывание и закрывание ключа. Величина емкости ускоряющего конденсатора выбирается из соотношения

где — постоянная времени переходного процесса в транзисторе с ОЭ; f _b — верхняя граничная частота транзистора.

Существуют и другие методы повышения быстродействия ключей: устранение насыщения с помощью фиксирующего диода или нелинейной обратной связи коллектор — база.