Ключевые схемы на биполярных транзисторах

21. Ключевые схемы на биполярных транзисторах

Одним из самых распространенных элементов цифровой техники является ключевой элемент, предназначенный для переключения цепей нагрузки под действием упр.сигналов. В большинстве электронных устройств в качестве ключа используют транзистор. Транзистор – ключ имеет два состояния разомкнутое (транзистор закрыт), и замкнутое (открыт). Скачкообразный переход от одного состояния к другому, т.е. управление ключом происходит под действием входного напряжения. Простейший транзисторный ключ имеет вид: РИС.29

Работу ключа удобно рассматривать с помощью передаточной характеристики (зависимость напряжения вых. от напряжения вх)

При входном напряжении меньшим порогового напряжения транзистора. Транзистор заперт, ток коллектора близок к 0. падение напряжения на Rк отсутствует и напряжение выходное равно Eп. напряжению источника питания. В этом состоянии ключ считается закрытым (участок А – А'). При увеличении входного напряжения и достижения полного напряжения транзистор начинает отпираться, его сопротивление уменьшается, коллекторный ток растет, а выходное напряжение падает, это состояние (А-В), где идет открывание ключа называется переходным процессом. При дальнейшем увеличении входного напряжения до 0,7 В транзистор переходи в открытое состояние. На участке В-В’ соответствующему открытому состоянию выходное напряжение ключа минимально и примерно составляет 0,1 В, Uвх<Uпор – ключ – закрыт называется режимом отсечки, а режим когда Uвх>Uпор – называется режимом насыщения. Мощность рассеиваемая транзистором Р=ik*Uкэ в рассматриваемых стационарных режимах мала т.к.в режиме отсечки ik стремится к 0, а в режиме насыщения Uкэ стремится к 0.

Для уменьшения нагрева транзистора необходимо сокращать длительность переходного процесса этому способствует подача на вход ключа управляющего входного напряжения, которое имеет вид прямоугольного импульса с крутыми фронтами и срезами. Однако изменение состояния ключа даже при подаче на его вход идеального прямоугольного импульса происходит не мгновенно. Время переключения зависит от инерциальных свойств как самого транзистора так и внешних цепей подключенных к нему. Инерционность внешних цепей связана с паразитными емкостями, подключенными ко входу и выходу транзистора (емкости монтажа и емкости нагрузки) РИС.30

Указанные емкости вместе с Rб, Rк, Rн создают RC-цепи приводящие к задержке выходного сигнала.

Желание избавиться от основных недостатков простейшего ключа (большая задержка выходного сигнала при работе на емкостную нагрузку и сильная зависимость от величины Rк) привело к появлению более сложных составных ключей. Наиболее распространенный из составных ключей является 3х транзисторный ключ: РИС.31

При входном напряжении Uвх=0 транзисторы VT1 заперт. Напряжение на его коллекторе высокое, а на эмиттере равно 0 следовательно транзистор VT3 тоже окажется закрытым, а VT2 открытым и на выходе ключа появится высокое напряжение примерно равное источнику питания. При Uвх=Uпор транзистор VT1 открыт. Создается падение напряжения на резисторе R3, которое открывает транзистор VT3. падение напряжения на открытых VT1, VT3 не достаточно для открытия транзистора VT2 и от остается закрытым. Следовательно низкий потенциал эмиттера открытого транзистора VT3 примерно равен потенциалу на его коллекторе, т.е. на выходе ключа будет низкий уровень напряжения.