Классификация диодных ключей.
Одним из основных элементов автоматики является электронный ключ, главное назначение которого состоит в коммутации цепи нагрузки с помощью управляющих электрических сигналов.
Основу любого электронного ключа составляет полупроводниковый прибор (диод, биполярный или полевой транзистор), работающий в нелинейном, ключевом режиме. Качество электронного ключа определяется следующими параметрами:
падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии;
током через ключ в разомкнутом состоянии;
скоростью перехода ключа из одного состояния в другое.
Диодные ключи. Применение диодов в ключевых схемах связано с их способностью проводить ток только в одном направлении. Когда к диоду приложено прямое напряжение, сопротивление диода rд оказывается малым (имеет величину от 10 до 100 Ом).Если к диоду приложено обратное напряжение, сопротивление диода Rобр лежит в пределах от десятков килоОм до десятков мегаОм).Чем RVD пр<<RVD обр, тем лучше ключевые свойства устройства.
В ключевых схемах желательно использовать такие диоды, у которых Rпр минимально, Rобр максимально. Скорость перехода ключа из одного состояния в другое - зависит как от диода, так и от остальной схемы. Реальные полупроводниковые диоды обладают определенной инерционностью, поэтому для получения высокого быстродействия диодных ключей необходимо применять специальные импульсные диоды, которые имеют малые времена включения и выключения, малые паразитные емкости.
Схемы диодных ключей и их функционирование.
1. Последовательные диодные ключи.
Основным признаком таких схем является последовательное включение полупроводникового диода и сопротивления нагрузки.
Работа схемы основана на соблюдении равенства Rн>R и RVDпр<<R, RVDобр>>R.
Отсюда следует, что Rвых=R. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:
При положительном знаке входного напряжения, т.е. U1>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления нагрузки ключа в целом, т.е. RVDпр<<R. В результате, выходное напряжение будет по амплитуде практически равно входному, U2=U1.
В случае, если U1<0,то RVDобр>>R, и на выходе напряжение будет отсутствовать (величина выходного напряжения равна произведению сопротивления нагрузки на ток обратно смещенного p-n перехода диода).
При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.
Был рассмотрен нулевой уровень включения диода. Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Eo.
В этом случае при U вх >Eo диод открыт и U вых приблизительно = U вх, а при U вх<Eo - закрыт и U вых=Ео. Если изменить полярность источника, то график приобретет вид, показанный тонкой линией.
В качестве источника Ео часто используют резистивный делитель напряжения, подключенный к общему для электронного устройства источнику питания. Применяя переменный резистор как регулируемый делитель напряжения, можно изменять уровень включения.
2 . Параллельные диодные ключи.
Основным признаком таких схем является параллельное включение полупроводникового диода и сопротивления нагрузки.
В приведенной схеме сопротивление R служит для ограничения тока при открытом диоде VD. Работа схемы основана на соблюдении равенства Rн>RVDпр и RVDпр<<R, RVDобр>>R. Отсюда следует, что Rвых=RVDпр. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:
При положительном знаке входного напряжения, т.е. U1>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления ключа в целом, т.е. RVD<<R. В результате, выходное напряжение будет по амплитуде практически равно напряжению на полупроводниковом диоде VD, U2=UVD»0.
В случае, если U1< 0,то RVD>>R, и на выходе напряжение U2 будет равно напряжению U1подаваемому на вход схемы параллельного диодного ключа.Таким образом, все падение напряжения приходится на закрытый диод.
При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.
При изменении полярности включения диода график функции Uвых=/ Uвх повернется на угол я вокруг начала координат.
При положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут) Uвых=0. При отрицательном диод закрыт (ключ разомкнут) U вых= U вх. Для изменения уровня включения в цепь вводят источник смещения.
Двойной диодный ключ получается комбинацией двух диодных ключей.
Такой ключ передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых, уровнями включения первого Uвх1 и второго ключей Uвх2.
Время переключения диодных ключей зависит от емкости p-n перехода, и временем выключения диодов (в обычных диодах tвыкл>0.5мкс, у диффузионных tвыкл=0.05мкс. Диодные ключи не позволяют разделять управляющую и управляемую цепи. В этих случаях используются транзисторные ключи.