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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Iбmax > Uвх/Ri•.

Полностью закрыт при Iб = 0.

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

В режиме отсечки, если Rб << Rн Uвых > Uвх.

Простейший ключ тока на биполярном транзисторе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

При Uупр = 0, Iк > 0 (?Iкобр).

Электронные ключи на полупроводниковых диодах

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 диод открыт, независимо от того есть или нет входной сигнал. При этом выходное напряжение Uвых?Uвх (Uвых=Uвх-?UVDпод).

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 в момент t1 диод закрывается, так как напряжение на его аноде остается равным нулю. Начинается заряд конденсатора Cu от напряжения E. В момент t2 когда напряжение Uc = Uвх, диод откроется и на выходе фиксируется напряжение Uвх.

Длительность переднего фронта выходного импульса равна:

tф=R•C•ln(E/(E-Uвх))

По окончании входного импульса (момент t3) конденсатор быстро разрежается через открытый диод VD и внутреннее сопротивление источника входного сигнала.

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нагрузочный резистор Rн включен в коллекторную цепь транзистора с заземлённым (общим) эмиттером. Входной управляющий сигнал поступает на базу транзистора в виде чередующихся уровней напряжения Е1 и Е2 обеспечивающие разомкнутое или замкнутое состояние ключа.

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Iн = Eк / (Rк + Rн).

Чтобы получить максимальный уровень выходного напряжения Uвых?Eк, выбирают Rк<<Rн. При этом Iн ? Eк / Rн.

Открытый транзистор полностью шунтирует грузку.

В этом случае: Uвых ? Uост, Iн =0.

Схемы ключей на полевых транзисторах

В качестве ключевых элементов используются обычно МДП-транзисторы с индуцированным каналом, которые при нулевом значении напряжения Uзи обеспечивают разомкнутое состояние ключа (транзистор закрыт), т.е. ключ с n-канальном управляется положительным напряжением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При подаче высокого уровня напряжения Uвх транзистор открывается и напряжение Uси = Uост на нем определяется положением рабочей точки О на нагрузочной прямой выходной характеристики, положение которой зависит от сопротивления Rс и входного напряжения Uвх. При увеличении Rс и Uвх напряжение Uост уменьшается. Однако с увеличением Rс ухудшается быстродействие ключа, которое определяется в основном зарядом выходной емкости Свых через резистор Rс при запирании транзистора.

При запирании транзистора низким уровнем входного напряжения (Uвх<Uо) выходное возрастает по экспонициальному закону с постоянной времени фф?Rc•Cвых стремясь к максимальному значению

Uвых.max?Ес.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Время нарастания выходного напряжения при запирании транзистора определяется обычно между уровнями 0,1(Ес-Uост) и 0,9(Ес-Uост) и равно tф?2,3фф = 2,3Rc•Cвых.

Время спада выходного напряжения ключа при отпирании транзистора уровнем напряжения Uвх1 определяется разрядом ёмкости Uвых через открытый транзистор и равно:

tc?1,5•Cвых•Rо,

где Rо - среднее внутреннее сопротивление транзистора в период разряда Cвых. Учитывая, что Ro<<Rc можно записать tc<<tф.

Широкое распространение получила схема ключа на комплектных МДП-транзисторах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В схеме затворы и стоки управляющего транзистора VT1 с индуцированным n-каналом и нагрузочного VT2 с p-каналом объединены.

Подложки обоих транзисторов соединены с истоками, благодаря чему исключая отпирание p-n переходов, изолирующих каналы транзисторов от их подложек.

При действии на затворах транзисторов низкого уровня управляющего напряжения Uвх0 транзистор VT1 закрыт, а VT2 - открыт и на выходе схемы устанавливается напряжение Uвых1?E.

Если на входе схемы действует высокий уровень напряжения Uвх1 то открыт VT1, а VT2 закрыт и Uвых0?0.

Таким образом, в любом стационарном состоянии один из транзисторов закрыт, поэтому схема практически не потребляет мощности от источника питания.

Логические элементы и логические интегральные схемы

Логические элементы составляют основу устройств цифровой обработки информации - вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики.

Логическая операция преобразует по определённым правилам входную информацию в выходную, а сами логические элементы чаще всего строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Поэтому цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы, принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

Логическое сложение (дизъюнкцию), или операцию ИЛИ, обозначаемую знаками «+» или «\/»:

F=x1+x2+x3+…+xn;

Логическое умножение (конъюнкцию), или операцию И, обозначаемую знаками «•» или «/\»:

F=x1•x2•x3•…•xn;

Логическое отрицание (инверсию), или операцию НЕ, обозначаемую чертой над переменной:

F = x.

Размещено на http://www.allbest.ru/