Транзисторные ключи

Ключ коммутирует (включает и выключает) участки элек­трической цепи. Его действие основано на том, что во включен­ном состоянии он обладает очень

малым, а в выключенном — весьма большим сопротивлением.

В отличие от усилительных схем транзистор ключа рабо­тает в нелинейном режиме: с некоторых значений базового на­пряжения U_б ток его коллектора перестает изменяться вслед за U6.

Ключ устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему.

На рис. 8.4,а изображена схема параллельного ключа. Ког­да под действием управляющего напряжения U_упр транзистор заперт (выключен), нагрузка R_H через резистор R_K подключена к источнику питания Е_к. Если. управляющим напряжением обеспечивается насыщение (включение) транзистора, нагрузка оказывается зашунтированной его незначительным сопротивле­нием и напряжение на ней близко к нулю.

На рис. 8.4,6 приведена схема последовательного ключа. При включенном транзисторе нагрузка R_H подключается к на­пряжению U_вх, при выключенном — эта связь обрывается. Данный ключ будет нормально работать при U_вх > 0. Ключевые свойства транзистора не являются идеальными (R_вкл ≠ 0, R_вык ≠ ∞). Поэтому для повышения эффективности

а)

Рис. 8.4

коммутации ее иногда осуществляют одновременно последова­тельным и параллельным ключами. При этом для подключе­ния нагрузки транзистор последовательного ключа включается, а транзистор параллельного ключа выключается. Для отключе­ния нагрузки состояния транзисторов изменяются на противо­положные.

Основными параметрами транзисторного ключа являются сопротивления во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение на ключе и быстродействие, опреде­ляемое временем переключения.

Ключи используются не только по прямому назначению, но и входят в основные цифровые элементы и импульсные устройства.

Ключи на биполярных транзисторах. В ключевом каскаде транзистор обычно включается по схеме с общим эмиттером. Именно этот вариант имеется в виду при рассмотрении стацио­нарных и переходных режимов ключей на биполярных транзи­сторах.

Стационарные состояния ключа. Ключевой каскад (рис. 8.5, а) может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и в выклю­ченном (транзистор заперт).

Режим насыщения возникает при положительном упра­вляющем напряжении, если создаваемый им базовый ток I_б удовлетворяет условию

I_бβ ≥ I_кн

где β — коэффициент усиления базового тока; I_кн — ток насы­щения коллектора.

При насыщении транзистора I_к = I_кн ≈ E_k/R_к , U_кн = E_k – I_кн R_н ≈ 0.

Рис. 8.5.

Режим отсечки, (транзистор заперт) возникает при отрица­тельном управляющем напряжении, если оно обеспечивает за­пирание эмиттерного перехода (U_бэ ≤ 0). Так как в рассматри­ваемом режиме в цепи базы проходит вытекающий из нее обратный ток коллекторного перехода (I_ко), указанное усло­вие запишем в виде

— U_упр + I_{ко max} R_б ≤ 0,

где U_упр - абсолютное значение отрицательного управляюще­го напряжения; I_{ко max} - значение обратного тока при макси­мальной рабочей температуре.

В режиме отсечки I_к = I_ко ≈ 0, U_к = Е_к – I_ко R_k ≈ Е_к .