Ключи и переключатели (коммутаторы) являются базовыми элементами многих устройств электроавтоматики. Они предназначены для изменения конфигурации схем, или параметров электрических цепей с целью изменения режимов их работы. Основными требованиями, предъявляемыми к коммутаторам для микропроцессорных систем защиты, являются малое сопротивление в замкнутом RЗ и высокое сопротивление в разомкнутом Rр состояниях, высокое быстродействие, низкое значение паразитных токов и э.д.с., низкий уровень проникновения сигнала из цепи управления в цепь коммутации, высокая стабильность (особенно температурная и временная) всех вышеперечисленных параметров.
Коммутаторы могут быть построены на основе электромеханических или полупроводниковых компонентов. К электромеханическим коммутаторам относятся различные типы электромагнитных реле, магнитоуправляемые контакты и шаговые искатели. Скорость переключения современных электромагнитных реле составляет 50-100 перекл./с и рабочий ресурс не менее 107 циклов переключений. Сопротивление замкнутых контактных групп серийно выпускаемых реле RЗ =0,02-0,05 Ом, а значение контактных э.д.с. не превышает 3-15 мкВ.
Магнитоуправляемые контакты (гермоконтакты или герконы) имеют более высокую скорость переключения (до 1500 перек./сек.) и рабочий ресурс не менее 108-109 циклов. Активное сопротивление разомкнутых контактных групп герконов Rр достигает 105 МОм.
В устройствах защиты и автоматики электромеханические контактные устройства в основном применяются для согласования электронных устройств с цепями управления силовых электрических аппаратов.
Электронные коммутаторы могут быть построены на основе полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, а так же с применением фотоэлектронных и магнитоэлектронных полупроводниковых приборов.
Диодные ключи в аналоговой интегральной электронике широко применяются в качестве переключателей токов, например в ЦАП, ПНВ, ПНЧ и т.д. Пример построения токового диодного ключа приведен на рис.1.15.
Рис. 1.15
Следует отметить, что обратный ток импульсных диодов, часто используемых в коммутаторах, обычно составляет 0,2-1 мкА. Применение в качестве диодов VD1 и VD2 цепей затвор - канал полевых транзисторов на основе запертого перехода (JFET) позволяет уменьшить обратный ток ключей. Например, обратный ток затвора транзисторной сборки КПС104 находится в диапазоне 0,1-0,3 нА. Но применение полевых транзисторов в качестве диодов ограничивает частоту коммутации переключателя до 10-20 кГц.
Достоинством транзисторных ключей является низкое падение напряжения в замкнутом состоянии и возможность разделения цепей управления и коммутации. На биполярных транзисторах можно строить коммутаторы токов и напряжений.
Схема коммутатора с инверсным встречным включением двух транзисторов (рис. 1.16) позволяет получить достаточно низкое остаточное напряжение на открытом транзисторе и, практически, одинаковые параметры для токов разных направлений. Управляющее напряжение подается в цепь база-коллектор.
Рис. 1.16
Серийно выпускаются специализированные транзисторные ключи интегрального исполнения 101КТ1, 118КТ1, 124КТ1, 273КТ1, 143КТ1, и т.д. Они представляют собой два идентичных интегральных транзистора с объединёнными коллекторами. Например, значение остаточного напряжения на ключе типа 101КТ1 не превышает 50 мкВ. Ключи на биполярных транзисторах в замкнутом состоянии имеют остаточное сопротивление от десятых долей до единиц Ома. Для развязки цепей переключаемых сигналов и управления используют трансформаторы или оптоэлектронные приборы.
Применение полевых транзисторов в качестве ключей обеспечивает развязку цепей управления и коммутируемых цепей нагрузки, высокое быстродействие и отношение
Они управляются напряжением и, практически, не потребляют в статике ток из цепи управления. Эти приборы пригодны для переключения токов и напряжений. Схема ключа на транзисторе с затвором на основе запертого р-п перехода (JFET) и передаточная характеристика полевого транзистора приведены на рис. 1.17.
Положительное управляющее напряжение U УПР открывает транзистор VT2 и формирует напряжение затвор - исток транзистора VT1 равное нулю. Транзистор VT1 закрывается и происходит отключение нагрузки R 0 от источника напряжения Uo. При нулевом управляющем входном напряжении UУПР закрывается транзистор VT2 и потенциал затвора транзистора VT1 становится равным потенциалу истока. Транзистор VT1 открывается и к сопротивлению нагрузки R 0 прикладывается напряжение источника Uo. Сопротивление резистора R 1 выбирают в диапазоне 1-10 МОм. Поэтому, при нагрузке не более 10 кОм можно пренебречь током, протекающим от источника напряжения через резистор R 1. Для нормальной работы ключа необходим полевой транзистор VT1 с напряжением отсечки UОТС меньше напряжения опорного источника Uo. Сопротивление замкнутого ключа RЗ на полевых транзисторах с затвором на основе запертого р-п перехода (JFET) составляет 20-500 Ом.
Применение в качестве ключей МОП (металл-окисел-полупроводник) полевых транзисторов упрощает цепи управления коммутаторов. Ключ на МОП транзисторе с обогащенным п - каналом приведен на рис. 1.18. Толщина изоляции затвора (SiO2) транзистора VT1 составляет десятые доли микрона и имеет пробивное напряжение от 30 до 100 вольт. Тонкая изоляция затвора необходима для уменьшения порогового напряжения открывания транзисторов и увеличения крутизны передаточной характеристики. МОП транзисторы чувствительны к статическим потенциалам, которые могут пробить изоляцию затвора и вывести их из строя. Стабилитрон VD1 изготавливается внутри ключа S1 и защищает затвор транзистора VT1 от статического электричества при транспортировке и монтаже ключей.
Рис. 1.18
Положительное управляющее напряжение UУПР открывает транзистор VT1 и резистор нагрузки Ro подключается к источнику опорного напряжения Uo. В качестве примера на рис.1.19 приведена принципиальная схема интегрального ключа КР590КН8.
Рис. 1.19
Особые ключевые свойства имеют VMOS - транзисторы. Схема аналогового ключа на VMOS транзисторе типа КП902, передаточная характеристика транзистора и зависимость сопротивления замкнутого ключа от напряжения затвор-исток приведены на рис. 1.20. Эти транзисторы хорошо работают как в малосигнальном режиме, так и с токами до 5 ампер. Типовое время коммутации тока 1А, в таких приборах, не превышает 5 нс.
Рис. 1.20
Внутреннее сопротивление таких ключей, как правило, 1-2 Ом. Промышленность выпускает транзисторы по VMOS интегральной технологии (например КП901, КП902 и т.д.), которые могут быть использованы как электронные ключи. Для коммутации больших токов в несколько десятков ампер допускается параллельное включение транзисторов.
