Электронные ключи на транзисторах реферат

Обновлено: 05.07.2024

Актуальность темы. С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

При работе в импульсных схемах электронные приборы (лампы, транзисторы, тиристоры и др ) имеют два рабочих состояния. В одном из них электронный прибор закрыт, ток через него практически не проходит и его внутреннее сопротивление Ri велико; в другом состоянии прибор открыт, ток в выходной цепи имеет заданное значение, а внутреннее сопротивление мало. Переход из одного состояния в другое сопровождается переходным процессом, время которого определяет длительность фронта и среза импульса. Такой режим работы электронного прибора называется ключевым.

1 Теоретическая часть

1.1 Характеристика транзисторного ключа

Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа – это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.

В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние – состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние – состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в другое, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.

Поведение ТК в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик и семейство входных характеристик.

В режиме отсечки оба перехода биполярного транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечек. Полярность их такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше . Оба перехода смещены в обратном направлении. Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения. Область глубокой отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства коллекторных характеристик, которую иногда называют характеристикой отсечки.

Падение напряжения на транзисторе мало и характеристика идет почти вертикально. Назовем эту линию линией отпирания.

В идеальном аналоговом ключе линии отпирания и запирания совпадают с осями координат. В транзисторном ключе эти линии имеют небольшой наклон, а их точка пересечения не совпадает с началом координат. В итоге при конечном сигнале получается нулевое напряжение на выходе, а при нулевом сигнале соответственно конечное выходное напряжение.

Таким образом, транзисторному прерывателю свойственны два вида погрешностей: сдвига и наклона. Влияние этих погрешностей уменьшается с увеличением входного сигнала. Общая погрешность невелика и, как видно из выходных характеристик, имеет разный знак в зависимости от полярности входного сигнала.

Для количественной оценки погрешностей необходимо знать координаты точки с и дифференциальные сопротивления обеих характеристик.

1.2 Статические режимы работы транзисторного ключа
В силу ряда неоспоримых преимуществ (отсутствие накала, малые габариты, малая потребляемая мощность, высокая надежность) транзисторы полностью заменили электронные лампы в маломощных импульсных схемах. Более того, использование транзисторов позволило создать такие схемы, реализация которых с помощью ламп принципиально невозможна. В импульсных схемах используются германиевые и кремниевые, биполярные и полевые транзисторы. В дальнейшем будем рассматривать схемы на кремниевых транзисторах n-p-n-типа, поскольку они наиболее широко применяются.

Рисунок 1 – Схема транзисторного ключа с общим эмиттером
В большинстве случаев используют транзисторный ключ с общим эмиттером (ОЭ), в котором нагрузочный резистор включен в коллекторную цепь (рис. 7.3). (Если в схеме используется не п-р-п-, а p-n-p-транзистор, то на коллектор подается отрицательное напряжение.) Напряжения и токи, соответствующие закрытому и открытому состояниям транзистора, могут быть определены с помощью входных и выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 7.4).

Режим отсечки. Закрытому состоянию транзистора соответствует режим отсечки, при котором на коллекторном и эмиттер-ном переходах действуют обратные напряжения. Через переходы проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объеме полупроводника. При включении транзистора по схеме ОЭ в режиме отсечки в коллекторной цепи протекает ток, близкий обратному току коллекторного перехода. Этот ток закрытого кремниевого транзистора ничтожно мал (менее 1 нА), поэтому его обычно в расчетах не учитывают и u_кэ

Ток коллекторного перехода закрытого германиевого транзистора на несколько порядков больше, чем ток кремниевого. Поэтому при анализе импульсных схем с германиевыми транзисторами его учитывают и транзистор в режиме отсечки представляют источником тока, действующим в цепи коллектор– база.

Прямые ветви входных статических характеристик в первом приближении представляются экспоненциальной зависимостью тока базы от напряжения база – эмиттер. Следовательно, сколь угодно малое увеличение напряжения u_бэ приводит к росту I_б. Однако ток базы становится заметным лишь при определенном значении и u_бэ = U_отп. Поэтому при расчетах импульсных схем удобно пользоваться напряжением отпирания (открывания) U_отп.

Режиму отсечки соответствует точка А на статических характеристиках транзистора.

Режим насыщения. Транзистор открывается, когда на вход подается положительное напряжение, и при условии u_бэ > U_отп. коллекторный и базовый токи увеличиваются. По мере нарастания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение u_кэ за счет падения напряжения на резисторе а также уменьшается обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу.

Пока при увеличении тока на коллекторном переходе имеется обратное напряжение, транзистор находится в активном режиме и имеет место следующее соотношение между токами:

Навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, движется поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков. В результате коллекторный ток при дальнейшем увеличении тока базы перестает расти. Транзистор переходит в режим насыщения, который характеризуется постоянством тока коллектора В связи с тем что в режиме насыщения коллекторный переход не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их накопление и интенсивная рекомбинация и пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к не выполняется.

Напряжения на коллекторе и базе насыщенного транзистора остаются практически постоянными.

Токи, протекающие во внешней цепи транзистора в насыщении, определяются следующими соотношениями:

где U_Б + , U_П - напряжения источников питания базы и коллектора.

Как видно, токи транзисторного ключа в режиме насыщения определяются внешними параметрами схемы и практически не зависят от характеристик-транзистора. Режиму насыщения соответствует точка В на статических характеристиках.

Режим насыщения кремниевого транзистора определяется условием u_кб = -U_отп При заданных коллекторном и базовом токах удобным для расчетов является критерий насыщенного состояния по току. Его можно установить, рассуждая так. Пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к , справедливая для активного режима, сохраняется вплоть до отпирания коллекторного перехода. Следовательно, на границе активного режима и режима насыщения также имеет место соотношение где I_{б гр} - базовый ток, при котором транзистор входит в режим насыщения. Как было отмечено, дальнейшее увеличение базового тока не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, критерий насыщенного состояния транзистора можно записать в виде

Если в соотношение (7.1) подставить выражения для токов получим:

В реальных условиях работы транзисторного ключа напряжения источников питания могут изменяться, имеет место также разброс сопротивлений резисторов и коэффициента передачи тока h_21э. Это может привести к невыполнению неравенства (1.1), выходу транзистора из режима насыщения и соответственно к изменению коллекторного тока и выходного напряжения. Для обеспечения устойчивого режима работы транзисторного ключа параметры его рассчитывают таким образом, чтобы неравенство (1.1) выполнялось при изменениях в некоторых пределах входящих в него величин.

Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения:

Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако следует помнить, что при этом растет время переключения транзисторного ключа.

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

От микроконтроллера через переход "база - эмиттер".
При этом канал "коллектор - эмиттер" открывается.
Через канал "коллектор - эмиттер" можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов - около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала "эмиттер - коллектор" может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу "эмиттер - коллектор", выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h_21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе "коллектор - эмиттер" он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах "база - эмиттер" может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

Биполярный транзистор.
Резистор для ограничения входного тока.
Электромагнитное реле.
Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал "коллектор - эмиттер" открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или биполярных транзисторов. 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.

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.

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

Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
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.
Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

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

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.

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). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах аналоговых сигналов. Поэтому в них применяются специальные полевые транзисторы, где есть управляющий р–n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

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

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. 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. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

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

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\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

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

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

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.

Классификация электронных ключей по способу подачи сигналов. Электронные ключи на полупроводниковых диодах. Схемы ключей на биполярных транзисторах. Логические элементы и логические интегральные схемы. Переход ключа из разомкнутого состояния в замкнутое.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	28.06.2015
Размер файла	1,8 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Электронные ключи тока и напряжения

Главным элементом цифровых устройств радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники являются электронные ключи.

Электронный ключ - активный элемент (транзистор, тиристор) включённый в цепь нагрузки и осуществляющий её коммутацию, т.е. замыкание или размыкание, при воздействии внешнего управляющего сигнала.

Ключ может находится в двух стационарных состояниях: замкнутом и разомкнутом.

Время перехода ключа из одного состояния в другое определяется инерционностью переходных процессов, протекающих в ключе при изменении его состояния.

Переход ключа из разомкнутого состояния в замкнутое характеризуется его временим включения, а из замкнутого в разомкнутое - временем выключения.

Электронные аналоговые ключи применяются в качестве прерывателей для ОУ с преобразованием постоянного малого входного напряжения в переменное, для обслуживания ОУ в схемах выборки - хранения аналоговых сигналов, для последовательной коммутации аналоговых сигналов многих источников на общую нагрузку, для построения схем преобразования аналог - код и код - аналог, а также для коммутации логических сигналов, их инверсии и нормирования к стандартным значениям.

электронный ключ сигнал полупроводниковый

Классификация электронных ключей

По способу подачи сигналов управления различают:

Ключ с непосредственной связью цепей источника сигнала и управления, между которыми нет гальванической изоляции.

Ключ с гальванической изоляцией цепей источника сигнала и управления.

По виду включения ключевого элемента различают: ключи тока и ключи напряжения.

Рис. ключ тока, ключ напряжения

По типу используемого ключевого элемента различают ключи:

на диодах; на биполярных и полевых транзисторах; на тиристорах; на ИС.

Простейший ключ напряжения строится на биполярном транзисторе по схеме.

В отличие от усилительного каскада с ОЭ транзистор работает не в линейном, а в ключевом режиме, т.е. может находиться только в двух состояниях:

Полностью открыт, или насыщен при Iб = Iбmax = Uупр/R1

Полностью закрыт при Iб = 0.

В режиме насыщения Uвых > 0 (Uкэнас ? 0,1 ? 0,5В).

В режиме отсечки, если Rб Uвх.

Простейший ключ тока на биполярном транзисторе.

При Uупр > Uвх транзистор насыщен и Iк = Uвх/R.

При Uупр = 0, Iк > 0 (?Iкобр).

Электронные ключи на полупроводниковых диодах

Диодные ключи находят широкое применение в электронных и микроэлектронных устройствах.

Наиболее часто они используются с целью электрического разделения нескольких источников импульсных сигналов, работающих на общую нагрузку.

При этом диод в диодном ключе обеспечивает передачу от источника сигнала в нагрузку импульсов напряжения одной полярности и блокировку передачи импульсов обратной полярности.

Форма выходного сигнала диодного ключа при передаче перепада напряжения определяется инерционными свойствами диода и нагрузки.

На отрезке t0 - t1 происходит накопление заряда неосновных носителей в p - n переходе, при этом уменьшается сопротивление диода и напряжение на нём. В интервале t2 - t4 через диод протекает ток в обратном направлении.

Это связано с тем, что в p - n переходе накоплен избыточный объёмный заряд неосновных носителей. Закрытие диода произойдёт лишь после уменьшения заряда до нуля.

При ёмкостной нагрузке диодного ключа основную роль играют переходные процессы, определяемые зарядом и разрядом ёмкости нагрузки.

При поступлении входного сигнала диод в ключе может быть открыт или закрыт в зависимости от соотношения напряжения Е и Uвх.

Рассмотрим работу схемы при Сн=0.

Если Uвх E, то при поступлении входного сигнала диод закрывается Uвых=Е-?UVDпод.

При Сн?0 работа этого ключа несколько изменяется из-за того, что напряжение на конденсаторе не может изменятся мгновенно.

Если Uвх E, то при скачке входного напряжения диод закрывается и остаётся в этом состоянии в течении всей длительности входного импульса. Длительность переднего фронта для этого случая tф?3•R•Cн, т.е. существенно больше.

Схемы ключей на биполярных транзисторах

Если на базу транзистора подать отрицательное напряжение, то ключ разомкнут. В этом случае транзистор работает в области отсечки коллекторного тока, когда эмиттерный и коллекторный переходы закрыты, т.е. к ним приложения обратные напряжения. Внешние токи транзистора в режиме отсечки.

Iэ ? 0; Iк= Iкбо; Iб = - Iкбо.

Таким образом, напряжение на коллекторе транзистора

Uк = Eк - Iкбо•Rн ? Eк,

что соответствует отключению нагрузки от цепи источника питания (ключ разомкнут) и Uн > “0”.

Для ограничения тока базы открытого транзистора обычно включается резистор Rб.

При подачи отрицательного напряжения -Е2 от источника необходимо учитывать напряжение на базе транзистора.

Uб = Uбэ = -E2 + Iкбо•Rб ? Uпор,

где Uпор -- положительное напряжение Uбэ на переходе база-эмиттер транзистора.

При работе ключа в области высоких температур резко возрастает значение тока Iкбо (особенно для германиевых транзисторов) и Iкбо•Rн > E2, при этом транзистор переходит из режима отсечки в активный режим работы и считается открытым.

Поэтому необходимо учитывать уровень -Е2.

При подаче на базу положительного напряжения Е1 транзистор работает в активном режиме или в режиме насыщения (ключ замкнут). В режиме насыщения оба перехода транзистора - коллекторный и эмиттерный -- открыты и к ним приложено прямое напряжение. Условием насыщения транзистора является:

Iб > Iбн = Iкн/в = Eк/Rн•в.

Выходное напряжение при замкнутом ключе:

Uн = Eк - Rтр•Iк ? Eк.

Недостатком рассмотренных выше схем ключей является незаземленность нагрузки по постоянному току. Поэтому один вывод нагрузки Rн обычно подключают к коллектору транзистора, а другой -- заземляют.

В этом случае напряжение Uкэ является выходным напряжением схемы, которое при запирании транзистора устанавливается равным

Uвых = Eк•Rн / (Rк + Rн),

а через нагрузку Rн протекает ток

Чтобы получить логический элемент И - НЕ, к элементу добавляют инвертор на транзисторе. Операция И осуществляется диодной частью схемы, а транзисторный каскад с общим эмиттером служит инвертором.

Элементы такого вида относится к так называемым ДТЛ- элементам (диодно-транзисторная логика).

Более высоким быстродействием по сравнению с ДТЛ- элементами обладают ТТЛ- элементы (транзисторно-транзисторной логики).

К примеру схема ТТЛ- элемента И - НЕ с простым инвертором.

Логические элементы на МОП- транзисторах обладают малой мощностью потребления и большим входным сопротивлением.

КМОП- элементы состоят только из МОП- транзисторов, что делает их весьма технологичными, поэтому они широко применяются в больших интегральных схемах (БИС). Напряжение питания КМОП- элементов может быть установлено любым в пределах от 3 до 15В. Недостаток КМОП- элементов (так же как и МОП- элементов) -- сравнительно невысокое быстродействие.

Помимо рассмотренных существуют логические элементы других типов, например ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), И2Л (интегрально-инжекционная логика), обладающие высоким быстродействием.

Подобные документы

Электронные ключи – элементы, производящие под воздействием управляющего сигнала различные коммутации в импульсных и цифровых устройствах. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах. Принцип их работы, схожесть с ключами на биополярных транзисторах.

контрольная работа [168,4 K], добавлен 12.07.2009

Основные параметры и принципы переключения. Схемы подключения ключей. Механические и электронные высокочастотные переключатели. Полевые транзисторы с МОП структурой затвора и монолитные СВЧ интегральные схемы. Исполнительные механизмы микросистем.

реферат [4,7 M], добавлен 31.01.2015

Электронные ключи. Насыщенный транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Статические, динамические характеристики электронного ключа. Способы увеличения быстродействия ключа на биполярном транзисторе. Серии логических элементов. Схемотехника РТЛ.

реферат [368,9 K], добавлен 23.12.2008

Основные параметры широкополосных аналоговых сигналов, модели электронных ключей: электронные на диодах, биполярные, полевые транзисторы. Расчет входного и выходного усилителя и источника питания. Анализ структурной схемы блока электронной коммутации.

дипломная работа [531,2 K], добавлен 14.11.2017

Этапы развития информационной электроники. Усилители электрических сигналов. Развитие полупроводниковой информационной техники. Интегральные логические и аналоговые микросхемы. Электронные автоматы с памятью. Микропроцессоры и микроконтроллеры.

Читайте также: