9.7. КЛЮЧИ

Полупроводниковые ключи совсем не похожи на те, которыми открывают двери. Однако они, так же как и дверные, могут замыкать и размыкать, но только не дверные замки, а электрические цепи.

Из практики мы знаем, что для этого применяют обычные выключатели, а в школьных кабинетах физики — рубильники — аппараты с двумя контактами. Повернул ручку выключателя или рубильника — контакты соединились, электрическая цепь замкнута. Повернул ручку в другую сторону — контакты разошлись, цепь разомкнулась. Подробно эти аппараты мы рассмотрим в гл. 13.

В полупроводниковом ключе никаких контактов нет. Это аппарат бесконтактный. Полупроводниковый ключ находится в двух состояниях. Когда ключ замкнут, его сопротивление близко к нулю и ток в цепи определяется только сопротивлением нагрузки — цепь включена.

Сопротивление разомкнутого ключа должно быть очень велико. Тогда ток будет близок к нулю — цепь выключена.

Такие ключи обладают по крайней мере двумя большими преимуществами: быстродействием и высокой надежностью.

Кроме того, полупроводниковые ключи имеют в тысячи раз меньшие размеры, чем домашний выключатель.

Вот почему они широко применяются в приборостроении, электронике, вычислительной технике.

Ключи выполняют на различных полупроводниковых приборах: диодах, транзисторах, тиристорах.

Рис. 9.18. Работа транзистора в ключевом режиме: а — каждый р-n-переход можно заменить полупроводниковым диодом; б — транзистор работает в режиме отсечки; в — транзистор работает в режиме насыщения

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа. Ключевая схема на транзисторе с общим эмиттером очень похожа на усилитель (рис. 9.18).

На рис. 9.18 изображен ключ на транзисторе n-р-n-типа. В коллекторную цепь включен резистор нагрузки , в цепь базы — резистор .

Представим себе транзистор как прибор, состоящий из двух полупроводниковых диодов. Это легко сделать, поскольку каждый из двух -переходов транзистора обладает односторонней проводимостью и по своим свойствам совпадает с диодом. Диоды включены встречно и соединены между собой в области базы, как показано на рис. 9.18, а на примере транзистора -типа.

Напряжение питания транзистора включено в обратном направлении относительно коллекторного -перехода и в прямом направлении относительно -перехода эмиттера.

Это точно соответствует полярности включения диодов на рис.. 9.18, а.

Для того чтобы лучше понять работу схемы, изобразим ее иначе. Включим оба диода параллельно (рис. 9.18, б). Работа схемы зависит от полярности управляющего напряжения их.

Если напряжение включено отрицательным полюсом на базу (рис. ), то диод закрыт этим напряжением, т. е. находится в непроводящем состоянии. Диод закрыт напряжением Очевидно, что тока в схеме нет. Транзистор закрыт или работает в режиме отсечки.

Изменим полярность управляющего напряжения и подадим его плюсом на базу (рис. 9.18, б).

В этом случае оба диода будут открыты. Диод открыт прямым напряжением Для того чтобы открыть диод нужно выполнить одно условие. Напряжение должно быть больше Тогда разность этих напряжений будет приложена к диоду в прямом направлении.

Так как падение напряжения на открытых диодах очень мало, то ток коллектора определяется только сопротивлением . Это — режим насыщения. Он соответствует открытому состоянию ключа.

Важной характеристикой полупроводникового ключа является время переключения тока в цепи. Это время зависит от внутренней емкости, которая возникает между электродами транзистора.

При насыщении транзисторный ключ работает при больших токах базы. Из-за этого на базе транзистора накапливается большое количество носителей заряда. При отключении транзистора эти заряды должны уйти (рассосаться) с базы. На это требуется некоторое время. При включении транзисторного ключа также требуется некоторое время для того, чтобы на базе накопились носители заряда. Все это задерживает работу транзисторного ключа, делает его инерционным.

В результате форма коротких импульсов на выходе ключа искажается. Если импульс управляющего напряжения имеет строго прямоугольную форму, то импульс тока в цепи коллектора нарастает и снижается более медленно. Говорят, что такой ключ затягивает передний и задний «фронты» импульса.

Для быстродействующих ключей создают высокочастотные транзисторы и используют специальные схемы включения.

Полупроводниковые ключи принципиально отличаются от контактных аппаратов тем, что при отключении цепь не размыкается. Просто сопротивление в цепи возрастает настолько, что ток резко снижается. Говорят, что в полупроводниковых ключах имеется гальваническая (токовая) связь между электрическими цепями. Гальваническая связь может вызвать самые неожиданные неприятности.

Могут произойти ложные срабатывания, неправильные переключения и т. п.

Самая эффективная развязка получается, если передать информацию не при помощи электрического тока, а каким-либо иным способом, например светом.

Рис. 9.19. Оптрон

Вспомним, что самый первый телеграф был оптический, световой.

Оптические «вставки» надежно изолируют электрические цепи. Они работают по схеме «электрический ток — свет — электрический ток». Для этого необходимы специальные полупроводниковые приборы: преобразующие электрический ток в световое излучение и осуществляющие преобразование — оптоэлектронные приборы.

Простейший преобразователь электрических сигналов с промежуточной оптической связью называют оптроном (рис. 9.19).

По сути дела это не один полупроводниковый прибор, а два, помещенных в один корпус.

В качестве источника светового излучения в оптроне используют светодиод.

В светодиодах имеется -переход, к которому приложено прямое напряжение. В области -перехода происходит взаимная компенсация носителей заряда (ее называют рекомбинацией).

При этом часть энергии носителей заряда переходит в световое излучение. Для изготовления светодиодов применяют арсенид галлия и карбид кремния. У этих полупроводников в -переходе выделяется большая энергия и возникает яркое свечение. Светодиоды имеют очень малые размеры, высокую надежность и большой срок службы. Они гораздо удобнее, чем электрические лампы накаливания, хотя коэффициент полезного действия у них значительно меньше.

У светодиодов есть еще одно важное преимущество малая инерционность. Эти приборы можно включать и выключать с очень большой частотой.

Второй аппарат, составляющий оптрон, — это приемник излучения.

Принцип действия полупроводниковых приемников излучения основан на физическом явлении внутреннего фотоэффекта. Сущность фотоэффекта заключается в том, что под действием света в полупроводнике возникают дополнительные носители заряда и -типа.

В зависимости от полупроводникового материала внутренний фотоэффект может привести к появлению фото-ЭДС или изменению сопротивления полупроводникового прибора.

Из всех многочисленных полупроводниковых фотоэлектрических приборов познакомимся только с одним — фотодиодом.

Фотодиоды включают в цепь в обратном, непроводящем состоянии. Как мы уже упоминали, в этом случае в цепи возникает небольшой обратный ток. В фотодиодах величина этого тока зависит от освещенности. Для этого фотодиод помещают в прозрачный корпус так, чтобы лучи света попадали на кристалл полупроводника.

Чем ярче свет, который попадает на фотодиод, тем больше величина обратного тока в цепи фотодиода.

Если в темноте этот ток равен 1 мкА, то при ярком освещении он увеличивается до 300 мкА.

Оба прибора, составляющие оптрон, — светодиод и фотодиод — помещаются один против другого (как показано на рис. 9.19) и заливаются прозрачным клеем.

Существуют оптроны, в которых в качестве приемников излучения используют более чувствительные фотоэлектрические приборы: фототранзисторы, фототиристоры.

Оптоэлектроника — молодая отрасль. Она делает только первые шаги, но перспективы ее развития огромны и замечательны.