Nachádzate sa tu
Kapitola 5
5. DIÓDA AKO SPÍNAČ MALÝCH SIGNÁLOV A RIADENÝ ODPOR
V tejto funkcii sa v nf obvodoch používa bežná kremíková dióda resp. Zenerová dióda, vo vvf obvodoch špeciálna mikrovlnná dióda PIN.
Vo funkcii spínača pracuje dióda v dvoch rozdielnych stavoch. Nulovým alebo záporným js ovládacím napätím je pre striedavý signál zatvorená, alebo kladným ovládacím napätím a prúdom (väčšej veľkosti ako je prúd signálu) sa nastaví jej pokojový pracovný bod vo vodivej časti VACH - s malým dynamickým odporom. Vtedy sa pre obvod správa ako zopnutý spínač.
Vo funkcii riadeného - premenlivého odporu sa využíva nelinearita - oblúk v priepustnej časti VACH, kde sa výrazne mení dynamický odpor diódy. Pokojový pracovný bod a teda určitý dynamický odpor v tomto bode, sa nastavuje jednosmerným ovládacím prúdom. Hoci sa využíva nelinearita VACH diódy, pre malé zmeny v okolí pracovného bodu - signál, sa dióda správa ako lineárny resp, kvázilineárny prvok. Pre túto oblasť požitia sú vhodné diódy s pozvoľným oblúkom, na hodnotách napätí UD a UF nezáleží.
Obr. 5.1 VACH a dynamický odpor diódy
V tejto kapitole využijeme niektoré zapojenia na demonštráciu postupov riešenia nelineárnych obvodov (grafická metóda riešenia, náhradné schémy, linearizácia).
5.1 Spínač striedavých signálov
Princíp diódového spínača malých signálov
Obr.5.1.1 Princíp diódového spínača malých signálov
Náhradná schéma pre signál v zapnutom stave:
Obr.5.1.2 Náhradná schéma pre signál v zapnutom stave
RDP = 0,x až 1 Ω. Ak RZ » RDP, potom U2=U1
Ak Ujs < 0, je dióda zatvorená, kladie takmer nekonečný odpor.
Ak Ujs > 0, je dióda otvorená, kladie zanedbateľný odpor.
Treba si uvedomiť, že tento spínač môže prenášať v zapnutom stave signál oboma smermi.
Praktický obvod diódového spínača (bez indukčnosti v riadenom obvode)
Obr. 5.1.3 Praktický obvod diódového spínača
Spínač s dvojicou diód
Obr. 5.1.4 Spínač s dvojicou diód
Spína sa v pozdĺžnej aj v priečnej vetve.
Vrátkový obvod
Obr. 5.1.5 Vrátkový obvod s diódou
Vrátkový obvod je podobný spínaciemu (5.1.1), riadiacim napätím UP sa otvára (UP>0) alebo zatvára (UP<0) spínacia dióda D, čím sa môže vstupný signál prenášať na výstup alebo je jeho prenos zablokovaný.
Na výstupe sa na signál superponuje jednosmerné napätie UA = UP – URP – UD, čo môže byť želané alebo neželané.
Súmerný vrátkový obvod
Obr.5.1.6 Súmerný vrátkový obvod
Odstraňuje superponovanú js. zložku napätia u2(t) oproti napätiu vo vypnutom stave. Obvod využíva symetrický transformátor a štvoricu rovnakých (vyberaných) diód. Na výstupe je nulové napätie v stave vypnutia ale aj v stave zapnutia, ak je nulové napätie na vstupe. Diódový spínač je zapnutý ak UAB>0, rozopnutý ak UAB<0. Podobný obvod sa používa napr. vo vzorkovacom osciloskope.
Upínací obvod (obnoviteľ jednosmernej zložky)
Veľmi často je medzi dvoma obvodmi resp. zariadeniami použitá kapacitná väzba.
Obr.5.1.7 Kapacitná väzba
Ak má byť prenos striedavého signálu verný, musí byť časová konštanta RC obvodu τ = RZ .C podstatne väčšia ako je perióda prenášaného signálu, v opačnom prípade sa bude RC obvod správať ako derivačný článok. Ak má signál jednosmernú zložku, túto kondenzátor neprenesie, lebo je v pozdĺžnej vetve.
Príklad prenosu unipolárneho periodického priebehu:
Obr.5.1.8 Upínací obvod
Zachovanie jednosmernej zložky umožňuje zapojenie s diódou.
Dióda umožňuje veľmi rýchle vybitie kondenzátora s časovou konštantou τV = C(RD + RG). Obvod s diódou sa volá upínací (obnoviteľ js. zložky), v danom prípade bola minimálna hodnota “upnutá“ na nulovú hodnotu napätia.
Obvod možno upraviť tak, že bude upínať na ľubovoľnú hodnotu napätia UP (teda pridá alebo uberie k jednosmernej zložke signálu hodnotu UP).
Obr.5.1.9 Upínací obvod s js. zdrojom UP
5.2 Dióda ako premenlivý - regulovateľný odpor pomocným jednosmerným napätím
Principiálne zapojenie regulovateľného odporového deliča s diódou
Najskôr určíme pokojový pracovný bod nelineárneho prvku (diódy).
Obr.5.2.1 Zapojenie regulovateľného odporového deliča s diódou
Jednosmerné napätie sa rozdelí úmerne podľa statických odporov:
RSNP = (UNP /IP), RSR = R, URP = IP.R , UNP = U - URP
Striedavé napätie zo zdroja signálu u1 sa rozdelí v pomere dynamických odporov. Veličiny v obvode so signálom určíme grafickou metódou a liearizáciou.
Náhradná schéma pre striedavý obvod - linearizácia VACH NP v pracovnom bode P:
Obr.5.2.2 Náhradná schéma pre striedavý obvod - linearizácia VACH NP v pracovnom bode P
Reguláciou pomocného napätia U môžeme meniť pracovný bod a jeho dynamický odpor, teda deliaci pomer deliča. Aby striedavý signál nebol vplyvom nelinearity VACH diódy skreslený, musí mať relatívne malú veľkosť oproti jednosmernému napätiu a prúdu IP.
Využitie zapojenia z obr.5.1.1, ale teraz nie ako dvojstavového spínača, ale ako premenlivého riadeného odporu a deliča:
Obr.5.2.3 Premenlivý riadený odpor deliča
Pre nastavenie pokojového pracovného bodu P slúži rezistor R. V deliči sa však uplatňuje voči dynamickému odporu RD zaťažovací rezistor RZ:
Symetrické zapojenie obvodu pre plynulú reguláciu striedavého napätia pomocou jednosmerného napätia
Obr.5.2.4 Symetrické zapojenie obvodu pre plynulú reguláciu striedavého napätia pomocou jednosmerného napätia
Dióda v obvode oscilátora pre stabilizáciu amplitúdy kmitov
Pre spoľahlivú činnosť oscilátora treba zabezpečiť kladnú spätnú väzbu (SV), ktorá musí spĺňať podmienku pre stabilné kmitanie na určitej frekvencii a tiež zabezpečiť obmedzenie amplitúdy kmitov. Pre stabilnú amplitúdu musí mať zosilňovač resp. jeho SV určitú nelinearitu, ktorú vytvárajú v zapojeniach charakteristiky tranzistorov alebo iné - zvláštne nelineárne prvky napr. diódy resp. Zenerové diódy.
R1 = 10 kW, R2 = 4,9 kW, R3 = 10 kW, UZD = 3 V
U VÝ ST M A X = UZD + UD = 3 + 0,7 = 3,7 V
napr. ak: R = 5 kW, C = 100 nF, tak fOSC = 318 Hz
Obr.5.2.5 Dióda v oscilátore pre stabilizáciu amplitúdy kmitov
Obvod kladnej SV tvorí Wienov článok, z výstupu do vstupu + operačného zosilňovača OZ. Nulový fázový posuv medzi U VÝST a U + bude práve pri fOSC . Napäťový prenos článku je UR /U VÝ ST = 1/3. Zosilnenie OZ cez – vstup musí byť mierne väčšie ako 3. Pre stabilizáciu amplitúdy výstupného napätia je v SV do – vstupu OZ premostený odpor R1 vetvou s antisériovo zapojenými Zenerovými diódami ZD1, ZD2 a odporom R3. Ak je tendencia zvýšenia amplitúdy UVÝST , otvoria sa diódy, k odporu R1 sa paralelne pripojí odpor R3, čím sa odpor SV zmenší a zmenší sa automaticky zosilnenie OZ.
Dióda ako regulačný prvok v zosilňovačoch s riadením dynamiky
Zosilňovače s riadením dynamiky signálu (zisku) sa nazývajú kompandory. Ak sa zisk so zväčšovaním signálu zmenšuje, nazývame takýto zosilňovač kompresor a opačný typ expandér. Často sa v zapojeniach používa dióda a jej nelineárna VACH.
Obr.5.2.6 Principiálne zapojenie kompresora s diódovým obvodom
Výstupný signál resp. jeho časť sa usmerní a privádza naspäť na delič R, D. Pri väčšom signále vzniká väčší usmernený prúd IJS, ktorý posúva pracovný bod diódy do oblasti kde je menší dynamický odpor (napr. z P1 do P2). Dióda sa viac otvorí, klesne deliaci pomer deliča R, D, zmenší sa postupne napätie U', klesne aj UVÝST, zmenší sa zosilnenie.
Obr. 5.2.7 Principiálne zapojenie expandéra s diódou
Funkcia je opačná ako u kompresora. Pri väčšom vstupnom signále sa z usmerňovača zvýši jednosmerný prúd IJS, dióda sa viac otvorí, stúpne deliaci pomer deliča D, R, zvýši sa napätie U', stúpne U2, zvýši sa zosilnenie zosilňovača. Pre stabilitu oboch zosilňovačov existuje jedno základné vstupné napätie, ktoré kompresor ani expandér nemení (základná úroveň), funkcia potláčania a expanzie sa vzťahujú k nemu. Aby sa neprejavovala nelinearita VACH diódy, musí byť vstupný signál malý.