Электронные ключи

Электронные ключи относят к классу нелинейных элементов, вольтамперные характеристики которых имеют вид нелинейных функций, а процессы описываются нелинейными уравнениями различного вида. Нелинейным элементом электронного ключа является полупроводниковый прибор (диод, транзистор), нелинейное сопротивление которого — величина переменная. В электронных ключах транзисторы работают в ключевом режиме.

Упрощенная принципиальная схема электронного ключа показана на рис. 6.6, а. Электронный ключ выполняет операции включения и выключения различных электрических цепей при подаче управляющих сигналов.

Поэтому режим работы ключа характеризуется одним из двух состояний: «включено» — «выключено».

Если ключ разомкнут, то u _вых = Е и i = 0. Это состояние характеризует электронный ключ до момента времени t₁, как это показано на временных диаграммах ключа, рис.6.6, б. В замкнутом состоянии ключа u _вых = 0 и i = Е/R. В обоих состоя­ниях электронный ключ предпола­гают идеальным, т.е. сопротивле­ние R _ПРзамкнутого ключа равно ну­лю, а разомкнутого R _ОБР— бесконеч­ности, что практически недостижимо.

Электронные ключи широко применяют в устройствах формирования импульсных сигналов. К таким устройствам относят ограничители, получившие весьма широкое применение в импульсной технике.

Ограничитель представляет собой нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого остается постоянным, когда входное напряжение выше (или ниже) некоторого заданного уровня, который называют порогом ограничения. В первом случае порог ограничения верхний, во втором — нижний, а ограничители называют соответственно ограничителем сверху и ограничителем снизу. Применяют ограничители для формирования импульсов прямоугольной (трапецеидальной) формы их синусоидального напряжения, выделения импульсов одной полярности из разнополярных импульсов, селекции импульсов по амплитуде и т. д.

В качестве активных нелинейных элементов диодных ключей используют полупроводниковые диоды. Коммутирующее действие таких ключей основано на использовании нелинейных свойств диодов.

По способу включения диода относительно сопротивления нагрузки диодные ключи подразделяют на последовательные и параллельные. В последовательном диодном ключе, схема которого показана на рис. 6.7, а, диод включен последовательно с сопротивлением нагрузки.

Аппроксимируя вольтамперную характеристику диода линейно-ломаной линией и принимая , аналитическое выражение передаточной характеристики ключа (рис. 6.7, б) получим в виде

(6.11 а)

где — сопротивление диода, а ее угол наклона определяется формулой

Если на входе ключа действует положительное напряжение (например, положительная полуволна синусоидального напряжения), то диод открыт, его сопротивление в прямом направлении и . При этом , а на выходе ключа выделяется напряжение той же полярности и примерно одинаковой амплитуды, что и на входе.

При отрицательном входном напряжении (например, отрицательная полуволна синусоидального напряжения) диод закрыт, его сопротивление и выходное напряжение в соответствии с равенством (6.11 а) . В этом случае , а напряжение входного сигнала практически полностью падает на диоде (отрицательная полуволна синусо­идального напряжения на выходе отсутствует).

Если в схеме (рис. 6.7, а) изменить полярность включения диода, то график функции повернется на 180°. При этом будут ограничены сигналы положительной полярности.

Параллельный диодный ключ (рис. 6.7, в) содержит диод, включенный параллельно сопротивлению нагрузки R_H. Предполагая , нетрудно убедиться, что при подаче на вход ключа положительного напряжения диод открывается (ключ замыкается), его сопротивление становится незначительным и напряжение на диоде (следовательно, на выходе ключа) . Действие отрицательного напряжения на входе ключа приводит к запиранию диода (ключ разомкнут) и , что видно из передаточной характеристики ключа (рис. 6.7, г). Для ограничения сигналов отрицательной полярности следует полярность включения диода изменить на обратную.

Рассмотренные схемы последовательных и параллельных диодных ключей позволяют осуществлять одностороннее ограничение однополярных и разнополяр­ных сигналов на нулевом уровне (U _пор = 0). На рис. 6.8 показаны графики, поясняющие применение последовательного ключа (см. рис. 6.7, а) в качестве ограничителя снизу на нулевом уровне для получения однополярных импульсов из разнополярных, снимаемых с выхода дифференцирующей цепи. В периоды поступления на вход ключа импульсов отрица­тельной полярности диод смещается в обратном направлении, и напряжение импульсов выделяется в основном на большом обратном сопротивлении диода, а .

Уровень порогового напряжения можно изменять , если последовательно с резистором (см. рис. 6.7, а) или диодом (см. рис. 6.7, в) включить дополнительно источник смещения E_СМ.

Для двустороннего ограничения сигналов применяют двусторонние ограничители (двойные диодные ключи). Схема двойного диодного ключа, представляющего собой комбинацию из двух параллельных диодных ключей (см. рис. 6.7, в), приведена на рис. 6.9, а, а двустороннее ограничение синусоидального напряжения с помощью такого ключа показано на рис. 6.9, б. Входное синусоидальное напряжение, поступающее на вход двойного ключа, передается на выход, если оно

находится в пределах границ, определяемых уровнями смещения первого и второго ключей (соответственно E _СМ1 и Е _{СМ 2} ). При превышении уровнем сигнала данных границ . Напряжение на выходе ключа имеет, таким образом, форму импульсов, близких к прямоугольным.

В отличие от диодных ключей, у которых вход и выход непосредственно связаны между собой, транзисторные ключи позволяют осуществить разделение управляющей (входной) и управляемой (выходной) цепей, что часто необходимо на практике. Кроме того, транзисторные ключи обладают усилительными свойствами, а следовательно, возможностью получения прямоугольных импульсов с крутыми фронтами из синусоидального напряжения небольшой амплитуды.

Дата добавления: 2013-12-13; Просмотров: 1382; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!