Транзисторные ключи

Идеальный ключ должен обладать следующими свой­ствами: при малой мощности управ­ления он должен мгновенно переклю­чать большие токи, разрывать цепь с большим напря­жением, иметь нулевые остаточное напряжение и ток утечки. Очевидно, что реальные ключевые приборы, выполняемые обычно на биполярных или МОП транзисторах, мо­гут лишь в той или иной степени приближаться к «идеальным».

Рис 2.1. Схема коммутации мощности в нагрузке

Ключ имеет два основных состояния; разомкнут либо замкнут. Мощность, рассеиваемая ключом, коммутирующим во внешней нагрузке ток Iн и Uн, складывается из статической Р_стат и динамической составляющей мощности Р_кл=Р_стат+Р_дин. Статическая мощность Р_стат (то есть мощность, рассеиваемая при очень низкой частоте переключения), рассеиваемая на ключе, определяется как полусумма мощностей, рассеиваемых ключом во включенном Р_вкл и выключенном P_выкл состоянии:

Р_стат=1/2(Р_вкл +P_выкл)=1/2(U_остI_н+U_выкл I_ут),

где U_ост– остаточное напряжение на замкнутом ключе и U_выкл=Еп – напряжение на разомкнутом ключе, I_ут – ток утечки разомкнутого ключа. Обычно в ключах U_ост и I_ут пренебрежимо малы и в статическом режиме на ключе рассеивается малая мощность, по сравнению с мощностью в нагрузке Р_н=U_нI_н.

В динамическом режиме на ключе выделяется мощность

Р_дин=U_нI_н t_клF,

где t_кл – время переключения ключа, F- частота следования импульсов. Доля мощности, выделяемая на ключе Р_кл/P_н= t_клF растет пропорционально частоте следования импульсов и тем меньше, чем выше быстродействие ключа.

Пример

Дано; U_н=10 В, I_н=1А, t_кл=1мкс, F=1 кГц

Коммутируемая мощность в нагрузке Р_н=10 Вт,

Рассеиваемая на ключе мощность Р_{кл_дин}=0.01Вт.

Основное достоинство ключевого управления мощностью нагрузки – высокий КПД управления, маломощный ключ может коммутировать значительную мощность.

В качестве ключей широко используются различные электронные приборы, обладающие высоким быстродействием, надежностью, позволяющие управлять ключом электрическими сигналами.

Ключи в интегральном исполнении на биполярных и МОП (МДП) транзисторах являются основой для построения цифровых интегральных схем различных серий. Вследствие взаимоисключающих требований высокого быстродействия и минимальной рассеиваемой мощности существует множество серий ИС:

¾ микромощные ИС с малым потреблением, но и с невысоким быстродействием;

¾ скоростные ИС, имеющие высокое быстродействие и большую потребляемую и рассеиваемую мощность ;

¾ стандартные серии ИС с средним быстродействием и потреблением.

Конечно все они имеют свою особую и разнообразную микросхемотехнику, т.е схемотехнику на кристалле. Скоростные и стандартные серии ИС реализуются лишь в виде схем малой и средней интеграции. В БИС и СБИС используется схемотехника микромощных ИС, что позволяет решить проблемы с отводом тепла от кристалла, а высокое быстродействие в СБИС достигается за счет минимальных паразитных емкостей на кристалле при малых размерах элементов.

Другое важное использование ключей для коммутации различных исполнительных устройств (электродвигатели, реле, различные тепло, свето и радио излучатели, устройства индикации и т.д.). Уровень переключаемых токов от мкА до тысяч А, уровень напряжений – от мВ до тысяч В. Переключать приходиться не только постоянный ток, но и переменный, включая сигналы сложной формы (низкочастотные звуковые, широкополосные видео, импульсные, радиочастотные). Понятно, что такой диапазон задач требует различных схемных решений. На сегодня существует богатая элементная база бесконтактных коммутаторов, как правило, в интегральном исполнении.

Данное пособие ориентировано на относительно маломощную приборную автоматику, информационные устройства. Поэтому ключи рассматривается лишь в следующих аспектах:

¾ Микросхемотехника ключей цифровых интегральных схем,

¾ Схемотехника силовых ключей постоянного и переменного тока,

¾ Схемотехника ключей для коммутации аналоговых сигналов.

За пределами пособия остались вопросы управления мощным силовым оборудованием на переменном и постоянном токе (транспорт, промышленность), мощные преобразователи в энергетике и некоторые другие специальные области использования ключей. Проблемы и схемные решения в общем схожие, но в силовой электронике сложилась своя элементная база, имеются специфические особенности ее использования.