Ключ на микросхеме что это

17

5.3. Электронные ключи.

Общие сведения. Электронный ключ — это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в идеальном электронном ключе происходит скачком под влиянием управляющего напряжения или тока.

В реальных электронных ключах переход из открытого состояния в закрытое и наоборот происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Это время определяется инерционностью активного нелинейного элемента и наличием в ключе паразитных емкостей и индуктивностей.

В современной электронной технике наибольшее применение находят транзисторные ключи.

Ключи на биполярных транзисторах. Простейшая схема транзисторного ключа (рис. 5.2, а) подобна схеме транзисторного усилителя, однако она отличается режимом работы транзистора. При работе в ключевом режиме рабочая точка транзистора может находиться только в двух положениях: в области отсечки (транзистор закрыт) и в области насыщения (транзистор открыт и насыщен). Такие ключи называют насыщенными транзисторными ключами. Иногда применяются ключи, в которых рабочая точка при открытом транзисторе находится в активной области (обычно вблизи области насыщения, но не достигает ее). Такие ключи называют ненасыщенными. Чаще применяются транзисторные насыщенные ключи, так как у них в состоянии «Включено» выходное напряжение имеет более низкий уровень и отличается большей стабильностью.

Рис. 5.2. Схемы транзисторного ключа (а) и характеристики (б),иллюстрирующие изменения режима при переходе ключа из закрытого состояния <точка А) в открытое (точка В)

Для обеспечения режима отсечки на вход ключа необходимо подать отрицательное напряжение (или положительное дляp-n-p-транзистора).

Для надежного запирания транзистора абсолютное значение отрицательного напряжения должно быть не менее некоторого значения порогового напряжения, и условие для обеспечения режима отсечки имеет вид

Для перехода транзистора в режим насыщения на вход ключа необходимо подать такое положительное напряжение , при котором в цепи базы создается ток

где — ток базы на границе между активным режимом и режимом насыщения (точка В на рис. 5.2, б).

Ток коллектора в режиме насыщения

.

В режиме насыщения коллекторное напряжение остается положительным по отношению к эмиттеру, но имеет очень малое значение (десятые доли вольта для германиевых транзисторов и 1. 1,5 В для кремниевых). Поэтому напряжение на коллекторном ЭДП оказывается отрицательным:

,

и он включается в прямом направлении.

Быстродействие электронного ключа зависит от времени включения и выключения.

Время включения определяется временем задержки, обусловленным инерционностью диффузионного движения неосновных носителей заряда в базе БТ, и временем формирования фронта (временем установления) выходного напряжения. Время выключения складывается из времени рассасывания накопленных в базе неосновных носителей заряда и времени формирования среза выходного напряжения.

Увеличению быстродействия транзисторного ключа способствуют применение высокочастотных транзисторов, увеличение отпирающего и обратного токов базы, а также уменьшение тока базы в режиме насыщения.

Для уменьшения тока базы в режиме насыщения применяют ненасыщенные ключи, в которых между базой и коллектором включают диод Шоттки (рис. 5.3). Диод Шоттки имеет напряжение отпирания на 0,1. 0,2 В меньше, чем напряжение насыщения коллекторного перехода, поэтому он открывается до наступления режима насыщения, и часть тока базы через открытый диод проходит в коллекторную цепь транзистора, предотвращая тем самым накопление в базе заряда неосновных носителей. Ненасыщенные ключи с диодом Шоттки широко применяются в ИМС. Это связано с тем, что изготовление диодов Шоттки на основе транзисторной структуры с помощью интегральной технологии не требует никаких дополнительных операций и не приводит к увеличению площади кристалла, занимаемой элементами ключа.

Рис. 5.3. Схема ключа с диодом Шоттки

Ключи на МДП-транзисторах. В ключах на полевых транзисторах (рис. 5.4) отсутствует такой недостаток, как накопление и рассасывание неосновных носителей, поэтому время переключения определяется зарядкой и перезарядкой междуэлектродных емкостей. Роль резистора могут выполнять полевые транзисторы. Это значительно облегчает технологию производства интегральных ключей на полевых транзисторах.

Рис. 5.4. Схемы электронных ключей на ПТ с p-n-затвором (а) и МДП-типа (б).

В ключах на МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис, 5.5) роль резистора выполняют транзисторы VТ1, а роль активного элемента — транзисторы VТ2. Транзисторы VТ2 имеют канал p-типа, а транзисторы VT1 — канал n-типа (рис. 5.5, а) или n-типа (рис. 5.5, б). Их передаточные характеристики показаны на рис. 5.6, а и 5.6, б соответственно. Графики напряжений, поясняющие работу ключей, представлены на рис. 5.7.

Рис. 5.5. Схемы электронных ключей на МДП-транзисторах с индуцированными каналами одинакового (а) и противоположного (б) типов электропроводности

Рис. 5.6. Передаточные характеристики МДП-транзисторов с индуцированными каналами различного типа электропроводности

Рис. 5.7. Графики изменений входного (а) и выходного (б) напряжений электронных ключей на МДП-транзисторах

При подаче на вход положительного напряжения транзисторы VТ2, имеющие канал p-типа, закрываются. Транзистор VТ1 первого ключа (рис. 5.5, а) открыт вследствие поданного на его затвор отрицательного напряжения смещения . ТранзисторVТ1 второго ключа, имеющий канал n-типа (рис. 5.5, б), также оказывается открытым, так как его затвор соединен со входом, на котором действует положительное напряжение . Сопротивления открытых транзисторовVT1 малы по сравнению с сопротивлением закрытых транзисторов VT2, и .

При поступлении на вход ключей отрицательного напряжения транзисторыVT2 открываются, а транзисторы VT1 закрываются. Почти все напряжение падает на большом сопротивлении канала транзистораVT1, и .

5.4. Базовые логические элементы на биполярных структурах. В зависимости от компонентов, которые используются при построении ЛЭ, и способа соединения компонентов в пределах одного ЛЭ различают следующие типы ЛЭ, или типы логик:

диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);

инжекционно-интегральная логика (И 2 Л, ИИЛ);

логические элементы на МДП-транзисторах (КМДП).

Имеются и иные типы ЛЭ. Одни из них морально устарели и в настоящее время не применяются, другие находятся в стадии разработки.

Логические элементы ТТЛ. Транзисторно-транзисторными называются такие логические элементы, во входной цепи которых используется многоэмиттерный транзистор (МЭТ). По принципу построения и работе схемы ТТЛ близки к схемам ДТЛ. Эмиттерные переходы МЭТ выполняют функцию входных диодов, а коллекторный переход — роль смещающего диода. Элементы ТТЛ компактнее, чем элементы ДТЛ, что повышает степень интеграции микросхем ТТЛ. Интегральные схемы на основе ТТЛ по сравнению с микросхемами ДТЛ имеют более высокие быстродействие, помехозащищенность и надежность, большую нагрузочную способность и меньшую потребляемую мощность.

На рис. 5.8, а показана схема 3И — НЕ ЛЭ ТТЛ с простым инвертором. Если на все входы МЭТ поданы напряжения , соответствующие уровню 1, то все эмиттерные переходы МЭТVТ1 смещены в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. Коллекторный ток МЭТ протекает через базу транзистора VТ2, который открывается и переходит в режим насыщения. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение низкого уровня .

Если хотя бы на один вход МЭТ подано напряжение , соответствующее уровню 0, то соответствующий эмиттерный переход МЭТ смещается в прямом направлении. Эмиттерный ток этого перехода протекает через резисторR1, вследствие чего коллекторный ток МЭТ уменьшается и транзистор VТ2 закрывается. На выходе ЛЭ устанавливается напряжение высокого уровня .

Для повышения быстродействия ЛЭ в него вводят нелинейную обратную связь, осуществляемую с помощью диода Шотки (диод VD на рис. 5.10, а). Диод Шотки VD с транзистором VТ2 в интегральном исполнении составляет единую структуру, которую иногда называют транзистором Шотки.

Рис. 5.8. Схемы логических И — НЕ ТТЛ с простым (а) и сложным (б) инверторами

На рис. 5.8, б показана схема логического элемента 2И — НЕ ТТЛ со сложным инвертором. Работа такого инвертора была рассмотрена раньше.

Особенностью сложного инвертора является инерционность процесса переключения транзисторов VТ2, VТЗ и VТ4. Поэтому быстродействие сложного инвертора хуже, чем простого. Для повышения быстродействия сложного инвертора в него вводят дополнительный транзистор, который подключается параллельно эмиттерному переходу VТ4.

В настоящее время выпускается несколько разновидностей серий микросхем с элементами ТТЛ: стандартные (серии 133; K155), высокого быстродействия (серии 130; K131), микромощные (серия 134), с диодами Шоттки (серии 530; K531) и микромощная с диодами Шоттки (серия K555). Они имеют большой процент выхода, низкую стоимость, обладают широким функциональным набором и удобны для практического использования.

Логические элементы ЭСЛ. Элементную базу эмиттерно-связанной логики составляют устройства на переключателях тока.

Простейшая схема переключателя тока показана на рис. 5.9, а.

Рис. 5.9. Упрощенная схема переключателя тока (а) и графики напряжений (б), поясняющие его работу

Суммарный ток транзисторов VТ1 и VТ2 задается генератором тока I, включенным в цепь эмиттеров транзисторов. Если на вход (базу VТ1) поступает напряжение низкого уровня (логический 0), то транзисторVТ1 закрыт и весь ток протекает через транзисторVТ2, на базу которого подается опорное напряжение , превышающее нижний уровень напряжения базыVТ1.

На коллекторе закрытого транзистора VТ1 образуется напряжение высокого уровня (логическая 1), а на коллекторе открытого транзистора VТ2 — напряжение низкого уровня (логический 0), как показано на рис. 5.9, б. Если , то транзисторVТ1 откроется. Так как , то транзисторVТ2 окажется закрытым и весь ток будет протекать через транзисторVТ1. На коллекторе VТ1 образуется напряжение низкого уровня, а на коллекторе VТ2 — высокого.

Параметры генератора тока таковы, что транзисторы VТ1 и VТ2 не переходят в режим насыщения. Этим достигается высокое быстродействие элементов ЭСЛ.

Принципиальная схема базового логического элемента ЭСЛ показана на рис. 5.10. Этот ЛЭ одновременно выполняет две логические операции: ИЛИ — НЕ по выходу 1 и ИЛИ по выходу 2.

Рис. 5.10. Схема базового логического элемента ЭСЛ

На транзисторах VT1, VТ2 и VТЗ выполнен токовый переключатель, обеспечивающий получение логических функций ИЛИ — НЕ (на коллекторе VТ2) и ИЛИ (на коллекторе VТЗ). В качестве генератора тока используется высокоомный резистор R5, включенный в объединенную эмиттерную цепь транзисторов VТ1, VТ2 и VТЗ. Источник опорного напряжения выполнен на транзисторе VТ4 и диодах VD1 и VD2. Опорное напряжение, уровень которого находится примерно посередине между уровнями, соответствующими 0 и 1, подается на базу транзистора VТЗ, поэтому транзистор VТЗ будет закрыт, если хотя бы на один из входов подано напряжение более высокого уровня (логическая 1) и открыт, если на всех входах имеется напряжение низкого уровня (логический 0). Логическая информация с коллекторов VТ2 и VТЗ поступает на базы выходных эмиттерных повторителей, выполненных на транзисторах VТ5 и VТ6. Эмиттерные повторители служат для увеличения нагрузочной способности ЛЭ и смещения уровней выходных напряжений для совместимости ЛЭ данной серии по входу и выходу.

Представителями ЛЭ ЭСЛ являются интегральные микросхемы 500-й серии.

Достоинством ЛЭ ЭСЛ является хорошо отлаженная технология их производства, обеспечивающая достаточно высокий процент выхода годных микросхем и их сравнительно низкую стоимость. Элементы ЭСЛ имеют более высокое быстродействие по сравнению с ЛЭ ТТЛ. Благодаря этому они получили широкое распространение в быстродействующей и высокопроизводительной вычислительной технике. Дифференциальные каскады ЛЭ ЭСЛ обеспечивают высокую помехоустойчивость, стабильность динамических параметров при изменении температуры и напряжения источников питания, постоянное, не зависящее от частоты переключения, потребление тока.

Недостатком ЛЭ ЭСЛ является высокая потребляемая мощность.

Логические элементы И 2 Л. ЛЭ И 2 Л выполняются в виде цепочки транзисторов с инжекционным питанием. Отличительной особенностью таких транзисторов по сравнению с БТ является наличие дополнительного электрода — инжектора. В этой структуре можно выделить два транзистора: горизонтальный токозадающий и вертикальный переключающий, соединенные так, как показано на рис. 5.11, б. Роль электронного ключа S обычно выполняет структура БТ, включенного с ОЭ и работающего в ключевом режиме.

Рис. 5.11. Принципиальная схема инвертора с инжекционным питанием

Смещение инжекторного перехода в прямом направлении достигается подачей на инжектор p-типа положительного напряжения, равного 1. 1,5 В. С помощью электронного ключа S база транзистора VТ2 может подключаться к эмиттеру этого транзистора или к генератору тока (коллектору T1). Если ключ разомкнут (при этом входное напряжение имеет высокий уровень), то почти весь ток генератора поступает в базу транзистора VТ2. Транзистор открыт и насыщен, и его выходное напряжение составляет единицы или десятки милливольт (при условии, что к коллектору подключена нагрузка). При замкнутом ключе S почти весь ток генератора тока течет через ключ и лишь незначительная его часть поступает в базу транзистора VТ2. Транзистор находится в активном режиме вблизи области отсечки. Напряжение коллектора транзистора в этом режиме соответствует высокому уровню — примерно 0,8 В.

Таким образом, транзистор с инжекционным питанием можно рассматривать как инвертор или ЛЭ, выполняющий операцию НЕ.

На рис. 5.12 показана схема ЛЭ ИЛИ — НЕ на два входа. При поступлении логических нулей на оба входа транзисторы VТ1 и VТ2 закрыты и на выходе образуется логическая 1. Если хотя бы на один из входов поступает логическая 1, то соответствующий транзистор открыт и насыщен и на выходе, являющемся объединением всех коллекторов, устанавливается логический 0.

Рис. 5.12. Упрощенная схема ЛЭ 2ИЛИ – НЕ инжекционной логики

Достоинствами ЛЭ И 2 Л являются высокая степень интеграции, большое быстродействие, способность работать при очень малых токах (единицы наноампер) и малых значениях питающих напряжений.

5.5. Базовые логические элементы на МДП- и КМДП-структурах. Базовым элементом логических ИМС на МДП-транзисторах является инвертор (элемент НЕ). На рис. 5.13 показаны схемы инверторов на МДП-транзисторах с каналом p-типа с одним (а) и двумя (б) источниками питания.

Рис. 5.13. Схемы инверторов на МДП-транзисторах (а, б) и графики входных и выходных напряжений (в)

Транзисторы VT1 обеих схем имеют более узкие и длинные каналы по сравнению с транзисторами VТ2. Поэтому если оба транзистора VТ1 и VТ2 открыты, то . Если, т.е., то транзисторыVТ2 оказываются открытыми. Так как при этом , то напряжение на выходе близко к нулю (рис. 5.13, в).

Если , т. е., то транзисторыVТ2 закрываются, а транзисторы VТ1 находятся на грани запирания. При этом и на выходе устанавливается напряжение с низким отрицательным уровнем, соответствующим логической 1.

Включение в цепь затвора транзистора VT1 дополнительного источника напряжения повышает помехоустойчивость ЛЭ.

На рис. 5.14, а показана схема двухвходового ЛЭ ИЛИ — НЕ, выполненного на комплементарных МДП-транзисторах. Параллельно соединенные транзисторы VТЗ и VТ4 с каналом n-типа являются управляющими, а транзисторы VТ1 и VТ2 с каналом p-типа — нагрузочными. Управляющие транзисторы образуют нижнее, а нагрузочные — верхнее плечо делителя, с которого снимается выходное напряжение.

Рис. 5.14. Схемы логических элементов ИЛИ — НЕ (а) и И — НЕ (б) на КМДП-транзисторах

Если на входах инапряжение низкого уровня:, то транзисторыVТЗ и VТ4 закрыты. Исток транзистора VТ1 с каналом p-типа подключен к плюсу источника , поэтому напряжение его затвора и превышает по абсолютному значению пороговое напряжение. Транзистор VТ1 открыт, сопротивление его канала мало и напряжение истока транзистора VТ2 близко к напряжению . Следовательно, транзистор VТ2 также открыт, и сопротивление верхнего плеча оказывается значительно меньше, чем сопротивление нижнего плеча. На выходе устанавливается напряжение высокого уровня, близкое к напряжению источника питания.

Если хотя бы на один вход илипоступает напряжение высокого уровня, то соответствующий транзистор нижнего плеча открывается, а верхнего плеча — закрывается. На выходе образуется напряжение низкого уровня, близкое к нулю.

В логических элементах И — НЕ КМДП-ТЛ (рис. 5.14, б) управляющие МДП-транзисторы с каналом n-типа VТЗ и VТ4 включены последовательно, а нагрузочные с каналами p-типа — параллельно. Сопротивление нижнего плеча будет мало в том случае, если открыты оба транзистора VТЗ и VТ4, т.е. когда на входах идействуют напряжения, соответствующие логическим единицам. При этоми соответствует логическому нулю. Если на одном из входов будет напряжение низкого уровня, то один из транзисторовVТ1 или VТ2 открыт, а один из транзисторов VТЗ или VТ4 закрыт. При этом сопротивление верхнего плеча значительно меньше, чем сопротивление нижнего плеча, и уровень выходного напряжения соответствует логической единице.

Логические элементы КМДП-ТЛ отличаются малым потреблением мощности (десятки нановатт), достаточно высоким быстродействием (до 10 МГц и более), высокими помехоустойчивостью и коэффициентом использования напряжения источника питания (). Их недостатком является большая сложность изготовления по сравнению с ЛЭ МДП-ТЛ.

Цифровые микросхемы — начинающим (занятие 2) — К176ЛА7

На прошлом занятии мы познакомились с простыми логическими элементами НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Теперь начнем знакомство непосредственно с микросхемами серий К561 или К176, на примере микросхемы К561ЛА7 (или К176ЛА7, в принципе они одинаковые, различаются только некоторые электрические параметры).

На прошлом занятии мы познакомились с простыми логическими элементами НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Теперь начнем знакомство непосредственно с микросхемами серий К561 или К176, на примере микросхемы К561ЛА7 (или К176ЛА7, в принципе они одинаковые, различаются только некоторые электрические параметры).

Микросхема содержит четыре элемента И- НЕ, это одна из наиболее часто используемых микросхем в радиолюбительской практике. Микросхема К561ЛА7 (или К176ЛА7) имеет прямоугольный пластмассовый черный, коричневый или серый корпус с 14-ю выводами, расположенными по его длинным краям. Эти выводы изогнуты в одну сторону. На рисунках 1А, 1Б и 1В показано как производится нумерация выводов. Вы берете микросхему маркировкой к себе, при этом выводы оказываются повернуты в противоположную от вас строну. Первый вывод определяется по «ключу». «Ключ» — это выштампованная углубленная метка на корпусе микросхемы, она может быть в форме паза (рисунок 1А), в форме маленькой точки-углубления, поставленной возле первого вывода (рисунок 1Б), или в форме большой углубленной окружности (рисунок 1 В). В любом случае отсчет выводов ведется от помеченного «ключом» торца корпуса микросхемы. Как отсчитываются выводы показано на этих рисунках. Если микросхему перевернуть «на спину», то есть маркировкой от себя , а «ногами» (выводами) к себе, то положение выводов 1-7 и 8-14, естественно поменяются местами. Это понятно, но многие начинающие радиолюбители эту мелочь забывают и это приводит к неправильной распайке микросхемы, в результате чего конструкция не работает, да и микросхема может выйти из строя.

На рисунке 2 показано содержимое микросхемы (при этом микросхема изображена «ногами к вам», в перевернутом виде). В микросхеме есть четыре элемента 2И-НЕ и показано как их входы и выходы подключены на выводы микросхемы. Питание подключается так : плюс — на вывод 14, а минус — на вывод 7. При этом общим проводом считается минус. Паять выводы микросхемы нужно очень осторожно и использовать паяльник мощностью не более 25 Вт. Жало этого паяльник а нужно заточить так, чтобы ширина его рабочей части была 2-3 мм. Время пайки каждого вывода не должно быть более 4 секунд. Лучше всего микросхемы для опытов разместить на специальных макетных платах, вроде той, что предложил наш постоянный автор Сергей Павлов в журнале иРК-12-99″ (страница 46).

Напомним, что цифровые микросхемы понимают только два уровня входного напряжения «О» — когда напряжение на входе около нуля питания, и «1» — когда напряжение близко к напряжению питания. Проведём эксперимент (рисунок 3) превратим элемент 2И-НЕ в элемент НЕ (для этого его входы нужно соединить вместе) и будем подавать на эти входы напряжение с переменного резистора R1 (подойдет любой на любое сопротивление от 10 кОм до 100 кОм), а на выходе подключим светодиод VD1 через резистор R2 (Светодиод может быть любой излучающий видимый свет, например АЛ307). Затем подключим питание (не перепутайте полюса) — две последовательно соединенные «плоские» батареи по 4,5 В каждая (или одна «Крона» на 9В). Теперь поворачивая движок резистора R1 следите за светодиодом, в какой то момент сретодиод будет гаснуть, а в какой то зажигаться (если светодиод не горит вообще, это значит, что вы его неправильно подпаяли, поменяйте его выводы местами и все будет нормально).

Теперь подключите вольтметр (РА1) так как показано на рисунке 3 (в качестве вольтметра можно использовать любой тестер или мультиметр, включенный на изменение постоянного напряжения). Поворачивая движок R1 заметьте при каком напряжении на входах элемента микросхемы светодиод горит, а при каком гаснет.

На рисунке 4 показана схема простого реле времени. Рассмотрим как она работает. В тот момент, когда контакты выключателя S1 замкнуты конденсатор С1 разряжен через них, и напряжение на входах элемента равно логической единице (близко к напряжению питания). Поскольку этот элемент у нас работает как НЕ (оба входа И замкнуты вместе) на его выходе при этом будет логический нуль, и светодиод гореть не будет. Теперь размыкаем контакты S1. Конденсатор С1 начинает медленно заряжаться через резистор R1. И напряжение на этом конденсаторе будет расти, а напряжение на R1 падать. В какой то момент это напряжение достигнет уровня логического нуля и микросхема Переключится», на выходе элемента будет логическая единица — светодиод загорится. Вы можете поэкспериментировать устанавливая на место R1 резисторы разного сопротивления, а на место С1 конденсаторы разных емкостей, и обнаружить интересную зависимость — чем больше емкость и сопротивление тем больше времени будет проходить с момента размыкания S1 до зажигания светодиода. И наоборот чем меньше емкость и сопротивление тем меньше времени проходит от размыкания S1 до зажигания светодиода. Если резистор R1 заменить переменным можно поворачивая его движок каждый раз изменять время, которое будет отрабатывать это реле времени. Запуск этого реле времени производится кратковременным замыканием контактов S1 (можно вместо S1 просто пинцетом или проволочкой замыкать выводы С1 между собой разряжая таким образом С1.

Если места подключения резистора и конденсатора поменять (рисунок 5) схема будет работать наоборот, — при замыкании контактов S1 светодиод зажигается сразу, а гаснет через некоторое время после их размыкания.

Собрав схему, показанную на рисунке 6 — мультивибратор из двух логических элементов, можно сделать простую «мигалку» — светодиод будет мигать, а частота этого мигания будет зависить от сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора С1. Чем меньше будут эти величины тем быстрее будет мигать светодиод, и наоборот, чем больше — тем медленнее (если светодиод не мигает вообще — это значит, что он неправильно подключен, нужно поменять местами его выводы).

Теперь внесем изменения в схему’ мультивибратора (рисунок 7) — отключим вывод 2 от вывода 1 первого элемента (D1.1) и подключим вывод 2 к такой же цепи из конденсатора и резистора, как в опытах с реле. времени. Теперь смотрите что будет : пока S1 замкнут напряжение на одном из входов элемента D1.1 равно нулю. Но это элемент И-НЕ, а значит, что если на его один вход подан нуль, то независимо от того что происходит на его втором входе, на его выходе все равно будет 1 единица. Эта единица поступает на оба входа элемента D 1.2, и на выходе D 1.2 будет ноль. А раз так, то светодиод загорится и будет гореть постоянным светом. После размыкания S1 конденсатор С2 будет медленно заряжаться через R3 и напряжение на С2 будет расти. В какой то момент оно станет равным логической единице. В этот момент выходной уровень L элемента D1.1 станет зависеть от уровня на его втором входе — выводе 1 и мультивибратор начнет работать, а светодиод станет мигать.

Если С2 и R3 поменять местами (рисунок 8) схема будет работать наоборот — вначале светодиод будет мигать, а поистечении некоторого времени после размыкания S1 он перестанет мигать и будет гореть постоянно.

Теперь перейдем в область звуковых частот — соберите схему, показанную на рисунке 9. Когда вы подключите питание в динамике будет слышен писк. Чем больше С1 и R1 тем ниже будет тон писка, а чем они меньше, тем выше тон звука. Соберите схему показанную на рисунке 10.

Это готовое реле времени. Если на ручку R3 нанести шкалу, то им можно пользоваться, например при фотопечати. ВЫ замыкаете S1, установите резистором R3 нужное время, и затем размыкаете S1, После того как это время истечет динамик станет пищать. Схема работает почти также как показанная на рисунке 7.

На следующем занятии попробуем собрать несколько полезных в быту приборов на микросхемах К561ЛА7 (или K176J1A7).

Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

1. Коллектор.
2. Эмиттер.
3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

1. P-N-P.
2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

1. От микроконтроллера через переход «база — эмиттер».
2. При этом канал «коллектор — эмиттер» открывается.
3. Через канал «коллектор — эмиттер» можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов — около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала «эмиттер — коллектор» может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h_21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах «база — эмиттер» может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

1. Биполярный транзистор.
2. Резистор для ограничения входного тока.
3. Электромагнитное реле.
4. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал «коллектор — эмиттер» открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

Аналого-цифровые электронные ключи

На практике очень часто возникает задача коммутации высокочастотного аналогового сигнала, которая может быть решена посредством электронного ключа. Электронный ключ имеет два входа: один — сигнальный, другой — для управляющего сигнала под действием которого и происходит процесс коммутации. В связи с тем, что на практике управляющий сигнал является как правило импульсным (или цифровым), то соответственно и сам ключ получил название аналого-цифровой.

При замыкании ключа аналоговый сигнал, действующий на входе, будет поступать на выход устройства. Если ключ идеален, то его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом бесконечно велико. Несмотря на сравнительно хорошо разработанную теорию ключей и большое разнообразие используемых на практике схем — часто бывает достаточно трудно выбрать ту схему, которая бы полностью удовлетворяла требованиям разработчика.

Основным отклонением реального ключа от идеального является наличие внутреннего сопротивления, которое всегда носит комплексный характер (что особенно проявляется на высоких частотах). Активная составляющая внутреннего сопротивления реального ключа снижает величину амплитуды напряжения и тока. Наличие же реактивного сопротивления делает ключ инерционным, увеличивает время переключения. В том случае, когда реактивная составляющая внутреннего сопротивления ключа носит емкостной характер, то ее заряд и разряд имеют разные постоянные времени. При этом время разряда меньше времени заряда и замыкание ключа происходит всегда медленнее, чем его размыкание. Соответственно, если не предпринять соответствующих мер, то аналоговый сигнал, проходящий через ключ, всегда будет искажен. Кроме этого, практически все аналого-цифровые ключи имеют и коммутационные выбросы, которые также приводят к искажению аналогового сигнала. Эти и ряд других проблем и необходимо решить в ходе разработки электронного ключа.

В качестве ключевого элемента схемы рассмотрим применение диодов, транзисторов и микросхем.

Все приведенные ниже принципиальные схемы устройств рассмотрены для входного сигнала с частотой выше 20 МГц.

II. Диодный ключ

Принципиальная электрическая схема ключа изображена на рис.1. В данной схеме в качестве ключевого элемента используются диоды типа КД407А, имеющие малую проходную емкость обратно смещенного перехода (около 1 пФ при U_обр=5 В и равную, примерно, 0,5 пФ при U_обр=12 В) и малое дифференциальное сопротивление прямо смешенного перехода, приблизительно равное 1 Ом.

В исходном состоянии диоды VD1 и VD2 закрыты подаваемым на них через открытый диод VD3 запирающим напряжением около 12 В. В этом случае сигнал, действующий на входе ключевой схемы на ее выход проходить практически не будет: большое сопротивление встречно включенных закрытых диодов VD1 и VD2, и шунтирование нагрузки малым сопротивлением открытого диода VD3 позволяют получить затухание входного сигнала около 70 дБ.

При подаче на управляющий вход запускающего импульса положительной полярности амплитудой 2. 4 В, транзисторы VT1 и VT2 формирователя токов управления запираются и на ключ через ограничительный резистор R8 подается напряжение от источника питания +12 В. При этом диоды VD1 и VD2 открываются, а VD3 — закрывается. В этом случае ключ «открыт» для прохождения радиосигналов. При снятии запускающего импульса схема возвращается в исходное состояние. Осциллограмма выходного напряжения показана на рис.2.

Достоинствами данной схемы являются:

— относительно большое входное сопротивление схемы формирователя токов (более 3 кОм) и ее высокая температурная стабильность;

— независимость работы схемы ключа от выходного сопротивления источника управляющего сигнала;

— исключена взаимосвязь между источниками аналогового и импульсного сигналов;

— малое прямое затухание (приблизительно 2 дБ).

К недостаткам схемы следует отнести:

— наличие коммутационных выбросов, определяемых дифференцирующими элементами схемы и переходными процессами в диодах;

— необходимость высокоэффективной экранировки ключа, позволяющей исключить просачивание радиосигнала в его обход и выполнение монтажа с возможно малыми паразитными емкостями.

II. Транзисторный ключ.

Принципиальная электрическая схема ключа приведена на рис.3. В ее основу положена широко распространенная схема с транзисторами p-n-p и n-p-n типа (схема с дополнительной симметрией), базы которых присоединены к общей входной цепи. Обычно усилители, выполненные по такой схеме, работают в режиме B.

В данном случае в состоянии покоя оба транзистора VT2 и VT3 — закрыты и в выходной цепи протекают только незначительные обратные токи. При этом абсолютные значения напряжений смещений выбраны такими, что транзисторы остаются закрытыми при самых больших (для данного случая) аналоговых сигналов действующих на входе схемы.

Поскольку по нагрузке (время покоя) токи транзисторов протекают встречно, то при одинаковых параметрах транзисторов выходной ток будет близким к нулю. Однако из-за невозможности получения полной симметрии схемы затухание входного сигнала при «закрытом» ключе составляет около 50 дБ.

В качестве каскада, управляющего работой ключа, применен каскад с разделенной нагрузкой, который иногда называют однотранзисторным парафазным, выполненный на полевом транзисторе VT1. Поскольку ток стока почти не отличается от тока истока, сопротивления нагрузки, включенные, соответственно, в стоковую и истоковую цепи, выбраны одинаковыми.

По истоковому выводу каскад является истоковым повторителем, т.е. каскадом с последовательной ООС по напряжению. По стоковому выводу — каскадом с последовательной ООС по току. Обратная связь по обоим выходам каскада безинерционна.

Каскад не усиливает входное напряжение. Он повторяет его по истоковому выводу, а по стоковому выходу, повторяя величину напряжения — изменяет еще и фазу на 180 град.

Выходные напряжения, снимаемые с нагрузок каскада, подаются на эмиттеры транзисторов ключевой схемы и открывают его, т.е. переводят каскад в режим, эквивалентный режиму AB усилителя. При этом, если на входах транзисторов присутствует аналоговый сигнал, амплитуда которого превышает напряжение смещения, то при положительной полуволне открывается транзистор VT3, а состояние транзистора VT2 не изменяется. Наоборот, при отрицательной полуволне входного сигнала ток протекает через транзистор VT2, а транзистор VT3 остается закрытым. Таким образом входное напряжение будет передаваться на выход.

Осциллограмма выходного сигнала приведена на рис. 4.

Основным недостатком данной схемы является трудность подбора транзисторов с идентичными характеристиками. Кроме этого схема требует наличие двух источников питания и имеют место коммутационные выбросы.

— простота управляющего работой ключей каскада и равномерная его нагруженность в оба полупериода;

— хорошая температурная стабильность.

III. Ключ на микросхеме.

В данном случае в качестве ключевого элемента используется интегральная микросхема типа 526ПС1 (MC1596, 174ПС1) рис.5.

Основным узлом микросхемы является счетверенный дифференциальный усилитель с перекрестными связями (транзисторы VT1, VT4, VT5, VT6). По своему действию он подобен усилителю с общим эмиттером, но его эмиттерные токи не зависят от входного напряжения. Нетрудно заметить, что разность выходных токов усилителя (являющаяся выходной величиной) пропорциональна не только входному напряжению усилителя (оно поступает на вход X, вывод 10), но и разности токов эмиттеров:

Токи эмиттеров можно регулировать подачей напряжения на базы транзисторов VT2 и VT7 (это напряжение поступает на вход Y, вывод 11) при замкнутых выводах 2 и 12.

Если к выводам 8 и 9 подключить нагрузки, имеющие одинаковые сопротивления, то выходной сигнал можно получить в виде разности напряжений:

где I_о — ток в рабочей точке каждой транзисторной пары: VT1, VT4; VT5, VT6.

U_т — температурный потенциал.

Внутренний стабилизатор (диоды VD1. VD5 и резистор R9) обеспечивает стабильную работу схемы по постоянному току и задает смещение на транзисторы VT3 и VT8, поддерживая эмиттерный ток счетверенного усилителя постоянным.

Из приведенной для выходного напряжения формулы можно легко вывести, что зависимость выходного напряжения от входных потенциалов нелинейна. Линейный диапазон по входу Y можно расширить, если между выводами 2 и 12 включить резистор Ry. Тогда величина разности входных токов будет определяться уравнением:

где rэ — сопротивление эмиттерного перехода.

Схема включения микросхемы в качестве ключа показана на рис. 6.

В исходном состоянии:

— при наличии на входе X аналогового сигнала и симметричной нагрузки ∆I_вых=0 и напряжение на выходе схемы отсутствует;

— при подаче на вход Y импульсного сигнала нарушается симметрия схемы и входной аналоговый сигнал проходит на выход без нарушения своей формы.

Осциллограмма выходного напряжения показана на рис. 7

Как показали экспериментальные исследования — в схеме отсутствуют коммутационные выбросы.

Достоинствами схемы являются:

— получение на выходе практически неискаженного сигнала.

К недостаткам схемы следует отнести сравнительно большое просачивание входного сигнала на выход схемы в закрытом ее состоянии (подавление составляет немногим больше 40 дБ).

Однако этот недостаток можно устранить с помощью последовательного включения двух ключей, что позволяет получить подавление входного сигнала (в момент «закрытого» ключа) не менее, чем на 70 дБ.