.

Электронные ключи.

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его базу управляющего напряжения (сигнала) определённой полярности и уровня. Нагрузка, подключённая к транзисторному ключу, оказывается зашунтированной большим или малым сопротивлением транзистора. В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы). Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе транзистора всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

  • Схема простейшего ключа (а),
  •  выходные (б)
  • входные характеристики (в)

Входную цепь транзисторного ключа характеризуют следующие параметры:

  • 1) входной ток закрытого транзистора;
  • 2) напряжение управления, необходимое для надежного запирания транзистора;
  • 3) минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для обеспечения надежного отпирания транзистора;
  • 4) входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение, необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).

Выходными параметрами ТК являются:

  • 1) выходное сопротивление ключа  при закрытом и  при открытом транзисторе);
  • 2) максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения);
  • 3) минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии  (десятые — сотые доли В);
  • 4) максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора ;
  • 5) коэффициент использования напряжения питания

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

 ЭК имеют два устойчивых состояния – состояние включено (ключ замкнут) и состояние выключено (ключ разомкнут). Переход ключа из одного состояния в другое происходит под действием управляющего сигнала. Требования к ключевым схемам:

  • Малое внутреннее сопротивление во включенном состоянии
  • Бесконечно большое сопротивление в выключенном состоянии
  • высокое быстродействие.  

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада. ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему. В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Статические характеристики ТК. 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. . 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. Важно подчеркнуть, что глубина отсечки, а также токи эмиттера и коллектора зависят от значения сопротивления, включенного в цепь базы. Это обусловлено тем, что в базовой цепи протекает ток обратносмещенных переходов транзистора, который создает дополнительное падение напряжения на сопротивлении .  

При практическом выполнении аналоговых ключей на биполярных транзисторах необходимо: гальванически развязывать между собой источник управляющего сигнала и коммутируемые цепи; включать в цепь базы транзистора ограничительный резистор, значение которого выбирается исходя из требуемого тока базы и напряжения источника