Электроника:Полупроводники/Диоды и выпрямители/Диодные схемы коммутации

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Диодные схемы коммутации[1]

Диоды способны выполнять коммутационные и цифровые логические операции. Прямое и обратное включение переключают диод между состояниями низкого и высокого импеданса соответственно. Таким образом, диод может служить триггером.

Логика

Диоды могут выполнять функции цифровой логики: «И» и «ИЛИ». Диодная логика использовалась в самых первых цифровых компьютерах. Сегодня в такой ипостаси диоды находят ограниченное применение. Хотя иногда бывает удобно собрать один логический вентиль из нескольких диодов.

Логический вентиль «И»

Рис. 1. Диодный логический вентиль «И».

На этом рисунке показан логический элемент «И». Логические вентили имеют входы и выход (Y), который функционально зависит от входов. На входе логического элемента фиксируется или высокий уровень (что эквивалентно логической единице), скажем, 10 В, или низкий уровень, 0 В (что эквивалентно логическому нулю).

На рисунке выше логические уровни генерируются переключателями. Если переключатель в верхнем положении, входной сигнал будет фактически высокий (т.е. соответствует 1). Если переключатель находится в нижнем положении, он подключает катод диода к «земле», которая выдаёт низкий уровень (т.е. соответствует 0). Выход зависит от комбинации входов A и B. Входы и выходы обычно записываются в «таблицу истинности» (см. рисунок 1.в) для описания логики вентиля. На рисунке 1.а все входы высокие (что даёт 1). Это соответствует последней строке таблицы истинности на рисунке 1.в.

Выход Y имеет высокий уровень (т.е. 1) из-за напряжения V+ (см. на рисунке верхнюю часть резистора). На него не влияют незамкнутые переключатели. На рисунке 1.б переключатель A подтягивает катод подключённого диода к низкому уровню, а выход Y - к низкому уровню (0,7 В). Эта ситуация соответствует третьей строке таблицы истинности. Вторая строка таблицы истинности описывает выход с переключателями, инверсно включёнными по сравнению с рисунком 1.б. Переключатель B закрывает диод и выводит его низкий уровень. В первой строке таблицы истинности прописаны нулевой выход, если на обоих входах сигнал низкой интенсивности (т.е. 0).

Данная таблица истинности описывает функциональность диодного логического «И». Как итог: только если на оба входа A и B подать высокий сигнал, только тогда на выходе это даст (1).

Логический вентиль «ИЛИ»

Логический элемент «ИЛИ» также имеет два входа – это пара диодов, показанная на рисунке 2 ниже. Если оба входа имеют низкий логический уровень (рисунок 2.a), что имитируется обоими переключателями при их переключении «вниз» (т.е. если их разомкнуть), резистор подтягивает выход Y к низкому уровню. Этот логический ноль записывается в первой строке таблицы истинности (рисунок 2.в). Если на одном (или другом или на обоих одновременно) из входов высокий уровень, как на рисунке 2.б, диод(-ы) проводит(-ят) столько тока, чтобы подтянуть выход Y к высокому уровню.

Эти результаты переупорядочены во второй-четвертой строках таблицы истинности. Как итог: любой «высокий» вход означает «высокий» выход на Y.

Рис. 2. Диодный логический вентиль «ИЛИ»: (а) Соответствует первой строке таблицы истинности. (б) Соответствует третьей строке таблицы истинности. (в) Собственно, таблица истинности. (г) Диодное логическое «ИЛИ» работающее за счёт источника питания и резервного аккумулятора.

Применение логического вентиля «ИЛИ»

Сборка логического вентиля «ИЛИ» позволяет подключить резервную батарею к источнику постоянного тока, работающему от сети, как показано на рисунке 2.г выше, чтобы даже в случае сбоя обеспечить бесперебойное питание нагрузки. При наличии переменного тока «из розетки» сетевое питание питает нагрузку, при этом предполагается, что оно имеет более высокое напряжение, чем батарея. В случае сбоя питания напряжение в сети падает до 0 В; в этом случае нагрузку питает батарея.

Диоды включены последовательно с источниками питания, чтобы предотвратить истощение батареи из-за сбоя сетевого питания и предотвратить перезарядку батареи при наличии сетевого питания. Сохраняет ли ваш компьютер базовые настройки BIOS при выключении? Сохраняет ли ваш (кассетный) видеомагнитофон настройки часов после сбоя питания? (Ответы: в случае с ПК – «да», что касается видеомагнитофонов, то на старых моделях – «нет», на новых – «да».)

Аналоговый переключатель

Диоды могут также коммутировать (переключать) и аналоговые сигналы. Диод с обратным включением выглядит как разомкнутая цепь. Диод с прямым включением – как провод с низким сопротивлением. Единственная проблема – изолировать переключаемый сигнал переменного тока от управляющего сигнала постоянного тока.

Схема на рисунке 3 ниже – параллельная резонансная сеть: резонанс варьируется за счёт катушки индуктивности, подключённой параллельно к одному или нескольким коммутируемым конденсаторам, выступающих в качестве резонатора. Это параллельный LC-резонансный контур (такие используются в фильтре преселектора в радиоприёмниках). Также это может использоваться в частотно-определяющей сети генератора (не показано на риснуках). Цифровые линии управления могут иметь микропроцессорный интерфейс.

Рис. 3. Диодный коммутатор: цифровой управляющий (низкий) сигнал выбирает конденсатор резонатора путём прямого включения переключающего диода.

Блокирующий конденсатор постоянного тока большой ёмкости заземляет резонансную настраиваемую катушку индуктивности для переменного тока, блокируя постоянный ток. Он будет иметь низкое реактивное сопротивление по сравнению с реактансом параллельного LC-контура. Это предотвращает замыкание на «землю» анодного постоянного напряжения с помощью резонансного настраиваемого дросселя. Коммутируемый конденсатор резонатора выбирается, если с помощью цифрового управления подтянуть соответствующий низкий уровень сигнала. Тогда происходит прямое включение коммутирующего диода.

Путь постоянного тока проходит от +5 В через ВЧ-дроссель (ВЧД), заземляющий диод и ВЧД посредством цифрового управления. Назначение ВЧД на +5 В – это защита переменного тока от источника +5 В. ВЧД, соединённый с цифровым управлением, предназначен для предотвращения попадания переменного тока во внешнюю линию управления. Конденсатор развязки замыкает небольшую утечку переменного тока через ВЧД на «землю», минуя внешнюю цифровую линию управления.

Когда все три линии цифрового управления имеют высокий уровень (≥ + 5 В), переключаемые конденсаторы резонатора не включены из-за обратного включения диода. При понижении уровня одной или нескольких линий выбирается один или несколько переключаемых конденсаторов резонатора соответственно. Чем больше конденсаторов подключается параллельно резонансной настраиваемой катушке индуктивности, тем меньше резонансная частота.

Ёмкость диода с обратным включением может быть значительной по сравнению с цепями с очень высокой или сверхвысокой частотой. Для снижения ёмкости могут использоваться PIN-диоды в качестве переключателей.

См.также

Внешние ссылки