Электронные ключи и формирование импульсов

Термин «ключ» широко используется в автоматике и радиотехнике: в автоматике — для обозначения многоконтактного ручного переключателя, а в радиотехнике — для обозначения радиоключа, предназначенного для импульсной передачи сообщений азбукой Морзе. Основное назначение электронного ключа — осуществлять операции включения и выключения (в англоязычной технической терминологии — On и Off).

В настоящее время в импульсных устройствах применяют электронные ключи—устройства, резко изменяющие внутреннее сопро­тивление под воздействием управляющего сигнала. Электронные ключи на электронных лампах, транзисторах, оптронах и логических элементах получили широкое распространение. Они используются для включения и отключения различных цепей и устройств, источников питания, нагрузки, высокого и низкого напряжения, слабых и сильных токов.

С развитием импульсных цифровых устройств под термином «ключ» стали понимать элемент, работающий по принципу да—нет (замкнуто—разомкнуто). Такие ключи строятся на основе цифровых логических элементов.

Рассмотрим особенности работы различных электронных ключей.

Диодные ключи.Строятся на основеламповых или полупровод­никовых диодов с применением последовательной и параллельной схем. Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении (от плюса к минусу, см. гл.4 - выпрямители). Переход ключа из выключенного положения в включенное происходит при Uвх> U0. Изменяя напряжение смещения U0, можно менять момент включения и вы­ключения ключа.

Когда диод открыт, ключ включен, напряжение на выходе практически равно напряжению на входе диода, так как прямое сопротивление диода очень мало (значительно меньше сопротивления нагрузки). Наоборот, когда диод закрыт (заперт), ключ разомкнут и напряжение на выходе равно напряжению смещения U0.

При прохождении через ключ коротких импульсов с крутыми фронтами большую роль играют паразитные емкости диода Сди нагрузки Сн(включающей в себя емкость монтажных проводников). Чем больше емкость нагрузки, тем больше время ее заряда и разряда, т.е. тем больше длительность переходных процессов установления напряжения при коммутации ключа и меньше его быстродействие.

Транзисторные ключи

Транзисторным электронным ключом называется устройство, имеющее два состояния: открыто—закрыто (пропускает ток и не пропускает ток). Схемы включения п-р-п-транзисторов в ключевых каскадах такие же, как и схемы включения их в усилительных каскадах: с общим эмиттером, общей базой, общим коллектором. Наиболее часто применяют ключевые каскады с общим эмиттером и внешним источником напряжения смещения, подаваемого на базу (см. рис. 2.21, а), который задает порог срабатывания каскада.

Рис. 2.21. Схемы ключевого каскада на n-p-n-транзисторе в режимах отсечки (а)и насыщения (б)и составные транзисторы, выполненные по схемам Дарлингтона (в)и каскодной (г)

В импульсных цепях необходимо лишь переводить транзистор из закрытого состояния (режим отсечки) в значимо открытое состояние (режим насыщения). Осуществляется это подачей соответствующего напряжения на базу. При достаточном напряжении на базе транзистор полностью открывается и переходит в насыщенное состояние.

Режимы отсечки и насыщения.Рассмотрим схему транзисторно­го усилительного каскада в режимах отсечки и насыщения. Транзи­стор находится в состоянии отсечки (рис. 2.21, а), когда перестает проводить ток, т.е. когда UБ=0, а значит, и ток IЭ= 0. При этом падение напряжения на резисторе R отсутствует и, следовательно, напряжение на коллекторе равно напряжению питания UЕ. Таким образом, напряжение между коллектором и эмиттером UК-Э = UК - UЭ, также равно напряжению питания UЕ.

Транзистор находится в состоянии насыщения (рис. 2.21, б), когда пропускаемый им ток настолько велик, что дальнейшее его увеличение невозможно, т.е. когда IЭи IКдостигают своих максимальных значений. При большом токе IЭувеличивается падение напряжения на коллекторном резисторе R, что приводит к уменьшению напряжения на коллекторе относительно UЕ, т.е. при увеличении тока транзистора значения напряжений на эмиттере и коллекторе сближаются. В состоянии насыщения, когда ток транзистора максимален, напряжения UКи UЭстановятся практически одинаковыми, т.е. UК-Эпрактически равно нулю.

Таким образом, транзистор можно использовать в качестве ключа (см. рис. 2.21, а, б) с двумя состояниями:

разомкнут (Uвх = 0) — состояние отсечки (Uвых = 6 В);

замкнут (Uвх = 3 В) — состояние насыщения (Uвых = 0).

Транзисторные ключевые каскады в импульсных цепях. При рабо­те транзистора в ключевых каскадах важно качество воспроизведе­ния фронтов импульсов, для улучшения которого необходимо обеспечить быстродействие транзистора, зависящее в основном от паразитных емкостей р-п-переходов. Для расчетов ключевых каскадов с высоким быстродействием используют динамическую модель транзистора с учетом емкостей р-п-переходов и выходных цепей. Ускорить переходный процесс можно путем уменьшения нагрузоч­ного сопротивления. Ключевой каскад с уменьшенным фронтом импульса получают путем введения нелинейной отрицательной обратной связи между коллектором и базой (с помощью диода).

Для переключения из одной цепи в другую используют транзи­­сторный переключатель тока.

В качестве ключа может использоваться транзистор типа р-п-р, включенный по схеме с общим эмиттером. Запирание (отсечка тока) транзистора происходит, когда оба его р-п-перехода (эмиттерный и коллекторный) закрыты, т.е. когда напряжение на базе по отношению к эмиттеру и коллектору положительное. Транзистор п-р-п-типа при такой схеме включения будет закрыт при отрицательном напряжении.

Для повышения мощности или перепада напряжения применяют составные ключевые каскады на составных транзисторах, как показано на рис. 2.21, в и г. Схема 2.21, в - это схема Дарлингтона она позволяет использовать транзисторы с разным коэффициентом усиления и транзисторы разной мощности. Для включения мощной нагрузки второй транзистор выбирают более мощным.

Схема 2.21, г - называется каскодной. Она используется для повышения быстродействия ключа.

Ключи на полевых транзисторах.Схема ключа на полевом транзисторе на основе МДП-структуры с встроенным каналом представлена на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Структура полевого МДП (МОП)-транзистора с встроенным п-кналом (а) и схемы его включения в качестве активного резистора (б,в) и ключевого каскада (г)

При подаче положительного напряжения на затвор полевого транзистора с п-каналом сопротивление его уменьшается. Если же на его затвор подается отрицательное напряжение, то электроны вытесняются в р-область и п-канал обедняется. При этом проводимость транзистора резко снижается, повышается сопротивление и ток между истоком и стоком уменьшается.

Полевой МДП-транзистор без встроенного канала работает аналогично, но имеет некоторые особенности. При нулевом напряжении на затворе положительной области п-проводимости разделены полупроводниковой областью р-типа и ток между ними не проходит. При подаче положительного напряжения на затвор к области под затвором притягиваются электроны и отталкиваются дырки. Концентрация электронов в поверхностном слое полупроводника увеличивается, и он приобретает проводимость. Таким образом, в нем создается (индуцируется) канал проводимости. В отличие от транзистора с встроенным каналом этот полевой транзистор пропускает ток (открывается) только при положительном напряжении на затворе, что хорошо для ключевых импульсных схем, где важно четко различать положения «включен» и «выключен».

Особенность ключей на полевых транзисторах состоит в том, что они имеют большое внутреннее сопротивление и управляются не током, а напряжением.

Наиболее часто в качестве ключевых элементов используются МОП-транзисторы с индуцированным каналом. По сравнению с ключами на биполярных транзисторах они имеют ряд преимуществ: высокое входное сопротивление, малые токи, хорошие частотные характеристики и радиационную стойкость.

Ключевые и усилительные каскады на полевых транзисторах упрощают схемы и повышают надежность электронных устройств. Важно помнить, что полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и управляются напряжением, подаваемым на затвор, а не током, как обычные транзисторы. Поэтому для уменьшения их постоянной времени и длительности переходного процесса после конденсатора в входную цепь вводят гасящее сопротивление.

Тиристорные ключи. Тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний, соответствующих напряжению на управляющем электроде. При управляющем напряжении ниже критического тиристор закрыт. Если же оно равно либо выше критического, тиристор открыт.

Переход тиристора из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком (на отрицательном участке ВАХсостояние прибора неустойчивое). Открывается тиристор, когда напряжение на его управляющем электроде превышает некоторое пороговое значение U1, причем при этом переходе сопротивление тиристора и ток, проходящий через него, изменяются в 106…107раз. Обратный переход тиристора в закрытое состояние происходит при напряжении на управляющем электроде меньше значения U2. При сопротивлении примерно от 107Ом в закрытом состоянии ток в тиристоре составляет около 10-6А, а в открытом — от 0,1 до 1,0 А. Таким образом, тиристор имеет очень высокие коэффициенты включения по току и мощности и может быть хорошим ключевым устройством.

Аналогично тиристору включается фототиристор при освещении его потоком света.

Электронные ключи на фотоэлектрических устройствах.Включение таких ключей происходит при подаче светового потока на их чувствительную зону. Таким образом, световой поток влияет на проводимость (или внутреннее сопротивление) ключа и пускает ток в цепи. В ключевых каскадах могут использоваться фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы, а также оптопары и оптроны (см. гл.5).

Импульсные генераторы

Наличие большого числа типов импульсных генераторов, используемых в электронике, требу­ет их классификации по различным признакам. В зависимости от функционального назначения и формы вырабатываемых импульсов генераторы подразделяются на следующие крупные классы:

генераторы прямоугольных импульсов;

генераторы линейно изменяющихся (пилообразных) напряжений;

генераторы функций.

Класс генераторов прямоугольных импульсов включает в себя:

формирователи прямоугольных импульсов из импульсов произ­вольной формы или синусоидальных напряжений;

ждущие генераторы, т.е. срабатывающие по подходящему импульсу;

генераторы меандровых последовательностей, т.е. формиру­ющие последовательность импульсов с длительностью, равной длительности интервала между ними;

автоколебательные генераторы — мультивибраторы, блокинг-генераторы и фантастроны;

генераторы импульсных цифровых последовательностей.

Перечисленные генераторы используются для формирования видеоимпульсов, но они могут применяться и для генерации (или модуляции) радиоимпульсов такой же формы с высокочастотным заполнением. Высокочастотная импульсная модуляция возможна по амплитуде, частоте или фазе.

Класс генераторов линейно изменяющихся (пилообразных) напряжений включает в себя:

симметричные генераторы (с симметричным линейным нарастанием и убыванием напряжения или тока);

несимметричные генераторы (с медленным нарастанием и быстрым возвратом к исходному состоянию напряжения или тока);

генераторы с стабилизаторами тока;

генераторы с положительной обратной связью;

генераторы с отрицательной обратной связью;

автогенераторы (на основе мультивибраторов, блокинг-генераторов и фантастронов).

Далее мы рассмотрим лишь основные широко применяемые типы импульсных генераторов.