Самостоятельная работа № 34

« Область применения электронных ключей»

Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

Ключи бывают механическими, электромагнитными и электронными.

Механические

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью, так как диэлектрический рычаг механического ключа обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Применяются обычно в случае, когда не требуется отделять управляемую цепь.

-Выключатели освещения

-Пакетные выключатели

-Тумблеры

-Переключатели различных конструкций: галетные, клавишные, движковые и др.

Электромагнитные

принцип работы:

Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления, управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

-Реле

-Шаговые искатели

-Контакторы, магнитные пускатели

Электронные

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».

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, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Диодные ключи

В диодных электронных ключах преимущественно используют полупроводниковые диоды трех типов: точечные, плоскостные сплавные и плоскостные диффузионные.

Точечные диоды (например, Д18, Д101) имеют малую барьерную емкость и сравнительно низкое допустимое обратное напряжение.

Плоскостные сплавные диоды, например Д219, обладают большой барьерной емкостью, но могут работать при значительных обратных напряжениях. Разброс их параметров значительно меньше, чем у точечных диодов. Плоскостные диффузионные диоды (например, мезадиоды Д312) сочетают в себе лучшие качества точечных и плоскостных сплавных диодов. Их барьерная емкость СБАР ≤ 1...3 пФ, допустимое обратное напряжение порядка 70... 100 В, поэтому они находят наиболее широкое применение в ключах различного назначения.

Основные схемы диодных ключей, наиболее широко используемых в импульсной технике, представлены на рисунке сверху.

Диодные ключи. Применяются для точного переключения токов и быстрого переключения напряжений. Первое применение объясняется высокой точностью диодных токовых ключей и легкостью управления ими. Второе связано с появлением диодов с тонкой базой и диодов Шоттки, в которых слабо выражены эффекты накопления носителей и инерционность в основном определяется процессом перезаряда барьерных емкостей.

Ключи на биполярных транзисторах:

Простейшая схема ключа состоит из транзистора Т и резистора RК. Ключ управляется от источника тока. В зависимости от значения источника тока (низкий уровень или высокий) транзистор должен быть в закрытом (режим отсечки) или насыщенном статическом состоянии. В первом случае напряжение на выходе ключа близко к входному, во втором - к нулю. Таким образом, ключ представляет собой простейший логический элемент НЕ - инвертор.

Ключи на биполярных транзисторах. Применяются для переключения как напряжений, так и токов. В ключах напряжения, как правило, используется режим насыщения в инверсном включении транзистора. При этом используются как отдельные транзисторы (последовательные и параллельные), так и согласованные пары встречно включенных двухэмиттерных транзисторов, получивших название интегральных прерывателей. Ключи тока чаще всего строят на согласованных транзисторах. Ключи с одиночными транзисторами обычно имеют управление по постоянному току.

Ключи на полевых транзисторах

Создание цифровых ИС с повышенной степенью интеграции обусловило особый интерес к базовым логическим элементам с очень малыми потребляемой мощностью и занимаемой на кристалле площадью. Традиционный способ повышения экономичности за счет увеличения сопротивления резисторов неизбежно приводит к увеличению их геометрических размеров и паразитной емкости на подложку. Кардинальным способом решения проблемы явилось использование в ключевых схемах вместо резисторов динамической нагрузки - МОП- транзисторов. Они способны хорошо работать в режиме микротоков и имеют малые габариты. Получили распространение две схемы ключевых элементов: на транзисторах с каналами одного типа проводимости и на комплементарных транзисторах на парах транзисторов с каналами разного типа проводимости

Эти ключи получили преимущественное распространение из-за отсутствия остаточного напряжения на открытом транзисторе, малых токов утечки и управления, хорошей совместимости с интегральной технологией.

Переключатель тока

Переключатель тока выполняется обычно на биполярных транзисторах и представляет собой дифференциальный усилительный каскад, работающий в режиме большого сигнала, но без насыщения транзисторов.

Ключи на тиристорах

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов S-образная вольтамперная характеристика позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей

Аналоговые ключи

Аналоговые ключи предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями в открытом состоянии и отключают цепи источников сигнала от цепей потребления в закрытом состоянии. Аналоговые ключи могут коммутировать ток или напряжение. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный ключ (прерыватель), либо переключатель на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы).

При коммутации же тока необходим переключатель на два положения (ток источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи). Требования к характеру нагрузки должны быть различными для ключей тока и напряжения. В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока наоборот. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала (тока, напряжения) от источника в нагрузку.

Основными параметрами ключа, определяющими значение погрешности, являются остаточное напряжение на замкнутом ключе UОСТ, сопротивление открытого ключа RПР.

Кроме основных параметров, аналоговые ключи характеризуются рядом дополнительных, которые позволяют определить основные режимы работы ключа и его влияние на передаваемый сигнал и сопряженную с ним схему. К таким параметрам относятся:

Ток утечки из цепи управления в сигнальную цепь в замкнутом состоянии ключа, равный разности токов через входной и выходной выводы ключа. Особое значение этот параметр имеет для ключей тока. Для ключей напряжения при значительном токе утечки важно, куда он течет: в источник сигнала или в нагрузку;

Диапазон входных сигналов диапазон напряжений или токов, который способен переключать данный ключ. Он ограничивается схемой управления, пробивными напряжениями ключа и допустимой погрешностью передачи входных сигналов.

К параметрам разомкнутого ключа относятся токи утечки по входу и выходу разомкнутого ключа и обратные сопротивления. В паспортных данных обычно указывают максимальные значения токов утечки на входе и выходе разомкнутого ключа при нормальной и максимальной температурах.

Времена включения и выключения, которые определяют при заданном полном сопротивлении нагрузки (обычно 10 кОм с параллельно включенной емкостью 15... 20 пФ) как задержку между моментом приложения управляющего импульса и концом фронта переключения напряжения (или тока) на нагрузке (по уровню 0,9 или 0,1).

Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью (на заданной нагрузке).

Паразитные емкости ключа, которые определяют паразитные выбросы управляющего сигнала при переключениях ключа, а также сквозное прохождение аналогового сигнала при разомкнутом ключе. Важное значение имеет также развязка (изоляция) на высокой частоте, численно равная отношению входного сигнала к выходному при разомкнутом ключе и при определенной частоте и нагрузке.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС.

Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. д.

Часто большое значение имеют следующие дополнительные параметры: собственный шум, ограничивающий снизу уровни переключаемых сигналов; перекрестные связи между ключами; коэффициент передачи замкнутого ключа в зависимости от частоты входного сигнала (амплитудно-частотная характеристика). Обычно указывают коэффициент передачи на низкой частоте или постоянном напряжении.

Дата добавления: 2015-05-06