ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ НА ДИОДАХ

Электронные переключатели не имеют механических подвижных частей, создающих биение и виб­рацию контактов, искрения, изме­нения переходного сопротивления в зависимости от времени. При элек­тронном переключении потребляется меньшая мощность, и само переклю­чение по сравнению с механическим реле занимает меньше времени.

Электронный способ переключе­ния можно использовать в цепях переменного и постоянного тока при различных мощностях и уровнях сигнала.

В рассматриваемых ниже управ­ляющих цепях переключение цепей переменного тока производится с помощью постоянного управляюще­го напряжения. Бесконтактное пе­реключение может быть осуществ­лено при помощи транзисторов, дио­дов, магнитных элементов или ком­бинацией всех этих элементов. Схе­мы, в которых в качестве пере­ключателя использован диод, яв­ляются наиболее простыми. Использование диодов (обычных и опорных кремниевых полупровод­никовых стабилитронов) в качестве выключающих элементов (ключей) основано на свойстве проводить ток только при условии, что потенциал анода выше потенциала катода, то есть в идеальном случае сопротив­ление диода равно нулю в области проводимости и бесконечно велико в непроводящей области. Реальная характеристика диода отличается от идеальной. После повышения на аноде потенциала выше некоторой величины Е₀ по отношению к ка­тоду, ток диода резко возрастает. Такой вид характеристики приближает ее к характеристике выключа­теля.

На рис. 1 изображена схема про­стейшей управляющей цепи, с . по­мощью которой можно включать или отключать переменное напря­жение U_BX. При подключении к последовательной цепочке R1Д1R2 положительного напряжения Е2, ве­личина которого больше величины максимального напряжения U_вх, со­противление между точками а и б становится равным обратному со­противлению диода. В случае при­менения кремниевых диодов, это сопротивление составляет около де­сяти мегом и на нагрузке R_H пере­менное напряжение практически от­сутствует. При изменении поляр­ности источника постоянного напряжения (переключение на Е1), сопротивление переменному току ме­жду точками а и б становится равным нескольким десяткам ом.

Таким образом, при скачкообраз­ном изменении полярности, управ­ляющего напряжения Е сопротив­ление цепи — для переменного пере­ключаемого напряжения изменится с нескольких мегом до нескольких десятков ом.

Сопротивление R1 и R2 надо выбирать так, чтобы при макси­мальном переменном коммутируемом напряжении ток через диод всегда был такой величины, при которой рабочая точка находилась бы на линейном участке.

Сумма напряжений Е2 и максималь­ной амплитуды подаваемого на ключ переменного напряжения U_вх.мах должна быть меньше напряжения пробоя диода (Uобр., указываемая в справочниках на диоды).

Если несколько типов диодов удов­летворяют данным условиям, то следует брать тот диод, который обладает большим обратным сопро­тивлением.

Затем из вольтамперной характе­ристики диода (рис. 2) определяют по току границу линейного участка.

В случае, если выход ключа под­соединен к устройству с большим входным сопротивлением (R_н боль­шим 10 ком) сопротивления R1=R2=R находим по формуле

Из формулы видно, что напряжение, при котором открывается ключ (Еi), должно быть больше удвоенного значения максимального входного напряжения.

Емкость конденсатора Сi выбира­ется исходя из условия 1,7

где, f — минимальная частота пе­ременного напряжения U_BX. Емкость конденсатора С2 выбирается из сле­дующего условия

Если сопротивление нагрузки мало, то есть R_н менее 10 ком., то со­противление R1 выбирается равным R_н, a R2 рассчитывается по формуле

Емкость конденсатора С1 рассчитывается из условия

а емкость конденсатора С2 так же, как и в предыдущем случае.

Входное сопротивление ключа в этом случае равно половине сопро­тивления нагрузки и его можно увеличить до R_н если вместо со­противлений R1 и R2 поставить дрос­сели, имеющие малое сопротивление постоянному управляющему току и большое сопротивление переменному току. Сопротивление дросселя пере­менному току должно удовлетворять условию

где L индуктивность дросселя в генри.

На рис. 3 показана схема устрой­ства для работы которого необходимо управляющее напряжение одного знака. В моменты, когда ключ на­ходится в положении «Земля», на­пряжение Ед снимаемое с делителя, состоящего из сопротивлений Rd1 и Яd2, прикладывается в прямом направлении к диоду и ключ замкнут по переменному току. Ток через делитель должен быть в пять-шесть раз больше тока через диод, а вели­чина напряжения Ед должна удовле­творять условию Ед=2U_{вх.макс}. В моменты, когда переключатель П₁ замк­нут на источник Е1 к диоду при­лагается обратное напряжение Е_0бр величиной равной Е_0бр=Е1—Ед, за­пирающей диод и размыкающий ключ по переменному току.

Величина напряжения Е_0бр должна быть больше максимальной ампли­туды переменного входного сигнала, поступающего на ключ. Ключи изоб­раженные на рис. 1 и рис. 3 можно представить в виде схемы эквива­лентной механическому реле (рис. 4).

На рис. 5 изображена схема электронного ключа, который в за­висимости от полярности управ­ляющего напряжения Еу замыкает или размыкает по переменному току одну из двух цепей. При подаче отрицательного, по отношению к земле, управляющего напряжения, будут проводить ток диоды Д1 и Д2. При этом в месте соединения всех диодов в случае равных со­противлений плеч создастся напря­жение F₀ равное

которое прикладывается в обратном направлении к диодам Дз и Д4, запирая их. В этой схеме макси­мальная амплитуда U_вх1 должна быть меньше величины запирающего напряжения Е₀. Переменный ток от напряжения U_вх1 в каждый мо­мент времени в одном из диодов увеличивает ток, а в другом умень­шает. Допустим U_вх1 в данный момент положительное и возрастает, тогда ток диода Д1 будет увеличиваться, а Д2 уменьшаться и напряжение Uвых1 будет возрастать. Во время отрицательного полупериода вход­ного напряжения ток через диод Д1 уменьшится, а через диод Д2 уве­личится и напряжение U_Bblxl умень­шится.

Если на переключатель подать вместо отрицательного положитель­ное напряжение E_v, то будут про­водить Дз и Д4, а диоды Д1 и Д₂ окажутся запертыми. Следовательно, Uвх2 будет проходить на выходные зажимы U_BыX2, а на зажимах U_ВЫХ1 напряжения не будет. Работа диодов Дз и Д4 аналогична работе диодов Д1 и Д2 в открытом состоянии.

На рис. 6 изображены две группы управляющих цепей, работающих на переключение переменных на­пряжений. Если напряжение Е_у равно нулю, что соответствует тому положению переключателя П1, ко­торый изображен на рисунке, то диод Д1 закрыт напряжением Е₂, получаемым в результате деления напряжения Е1 между сопротив­лениями R2 и Rз Для надежного запирания диода Д1 должно удов­летворяться следующее условие:

При переключении П1 в положении 2 диод Д1 открывается, а диод Д2 закрывается управляющим напря­жением Е_у. Для надежного запи­рания диода Д2 напряжением Е_у, напряжение Е2 должно быть при переключении в положение 2 равно

Таким образом в рассмотренной управляющей цепи, в зависимости от положения переключателя П1, мы имеем с выхода либо напряжение U_BX1, либо напряжение U_BX2, что эквивалентно одной группе кон­тактов реле на переключение. Таких групп можно сделать сколько угод­но. Особенно выгодно применение управляющих цепей на переключение при необходимости иметь много ком­мутационных цепей переменного тока малой мощности.

На рис. 7 представлен элек­тронный ключ, предназначенный для периодического включения и вы­ключения цепи переменного тока, подобно рассмотренному на рис. 1

Этот переключатель требует для своего управления только одного источника управляющего напряже­ния.

В этом ключе используется та особенность кремниевых полупроводниковых стабилитронов, что они на вольтамперной характеристике имеют большой начальный участок, на котором не проходит ток через стабилитрон. Лишь начиная с не­которого напряжения Е₀ (рис, 8) происходит пробой кремниевого ста­билитрона и ток резко возрастает.

Как известно, кремниевые опор­ные диоды — стабилитроны могут работать как диоды, если напряже­ния прикладываются к нему в пря­мом направлении, так и как ста­билитроны, если напряжение к нему приложить в обратном направлении. Для того, чтобы опорный кремниевый диод проводил только в одном на­правлении, а именно в том, при котором он работает как стабилит­рон, последовательно с стабилитро­ном одноименными электродами подсоединен диод. Последовательную цепочку состоящую из диода Д и стабилитрона Cm рис. 8, а можно представить в виде диода В, рис. 8,6, с идеальной характеристикой, на которую подано напряжение сме­щение Е₀ с внутренним сопротивле­нием источника Rj представляющим собой сумму сопротивлений диода и стабилитрона. Если управляющее напряжение не подано, то цепочка представляет собой разомкнутую цепь во все моменты времени, когда вход­ное напряжение U_BX меньше вели­чины Е₀. Отсюда видно, что для получения разомкнутой цепи при снятом управляющем напряжении величина Е₀ должна быть больше максимального входного напряже­ния. Величину Е₀ можно выбрать любой, путем подбора типа стаби­литрона и последовательного вклю­чения нескольких стабилитронов.

Максимальная мощность коммутации переменного напряжения стабили- тронно-диодного ключа ограничена максимальной мощностью рассеи­вания стабилитронов, приводимой в справочнике на данный тип ста­билитрона.

При наличии двух схем подобных схеме на рис. 8, но включенных так как показано на рис. 9, управ­ляющая цепь работает на переклю­чение переменных напряжений. При необходимости можно создать п групп переключения, управляемых одним напряжением E_у.

Схема ключа, состоящая из двух последовательно включенных цепо­чек, между которыми подается уп­равляющее напряжение Е_у рис. 10, подобно переключателю с нейтраль­ным положением. Если на R₃ посту­пает в данный момент положительное напряжение (что на схеме соответ­ствует положению 3 переключа­теля П1), то поскольку проводящей является цепочка В2Ст2, с выхода снимается напряжение U_BblX2. Если на R1 в данный момент не подается управляющий сигнал (положение 2 переключателя П1), то и на выходе- сигнала нет, так как Д1Cт1 и Д2Ст2 являются непроводящими. Когда на R1 будет подан отрицательный потенциал (переключатель П1 в поло­жении 1), проводящей становится цепочка Д1Cm1. Управляющая цепь, представленная на рис. 9. в соче­тании со схемами с двумя устойчи­выми состояниями (например, триг­гер или реостатноспусковая схема), представлена на рис. 11, где к обычной схеме триггера на тран­зисторах подсоединена описанная выше схема ключа рис. 7. Пере­ключение происходит при подаче сигнала запуска на конденсатор С₃. Сопротивление R4, включенное в цепь эмиттеров, поддерживает в вы­ключенном состоянии транзистор, который переводится из проводящего в непроводящее состояние, а кон­денсатор С5 блокирует сопротив­ление во время переключения, что необходимо для получения макси­мального усиления транзистора.

В триггере описанного вида в каждый момент времени один тран­зистор открыт, а другой закрыт, соответственно с этим напряжение на коллекторе одного транзистора приблизительно равно источнику пи­тания Е, а напряжение на коллек­торе другого триода близко к нулю. Закрытый транзистор имеет на кол­лекторе высокий потенциал, вслед­ствие чего цепочка Cm1 и Д1 стано­вится проводящей. Поэтому и на выходе мы имеем соответствующее переменное напряжение. Таким об­разом в описанной схеме управ­ляющее напряжение, которое пере­ключает реле, должно быть в виде импульса. Если генераторы е1 и e2 неизменны, то схема аналогична известной схеме «памяти», приме­няющейся в цифровых счетно-реша­ющих устройствах, но с выхода выдается переменное напряжение, характеризующееся разной ампли­тудой, фазой или частотой, что в ряде случаев более выгодно, так как стабильное усиление по мощ­ности по переменному току сделать легче, чем по постоянному току.