Комутатором називають пристрій, що дозволяє комутувати (включати або перемикати) електричні сигнали. Аналоговий комутатор призначений для комутації аналогових, т. Е. Змінюються по амплітуді в часі сигналів.

Зазначу; що аналогові комутатори з успіхом можна застосовувати і для комутації цифрових сигналів.

Зазвичай станом «включено / вимкнено» аналогового комутатора управляють подачею керуючого сигналу на керуючий вхід. Для спрощення процесу комутації для цих цілей використовують цифрові сигнали:

логічна одиниця – ключ включений;

логічний нуль – вимкнений.

Найчастіше рівню логічної одиниці відповідає діапазон керуючих напруг, що лежать в межах від 2/3 до 1 від напруги живлення мікросхеми комутатора, рівню логічного нуля – зона керуючих напруг в межах від 0 до 1/3 від напруги живлення. Вся проміжна область діапазону керуючих напруг (від 1/3 до 2/3 від величини напруги живлення) відповідає зоні невизначеності. Оскільки процес перемикання носить, хоча і неявно виражений, пороговий характер, аналоговий комутатор можна розглядати по відношенню до входу управління як найпростіший компаратор.

Основними характеристиками аналогових комутаторів є:

♦ електричний опір і ємність замкнутого і разомкнутого ключа;

♦ опір і ємність на шину (шини) харчування;

♦ лінійність ВАХ замкнутого ключа;

♦ швидкодія;

♦ максимальне і мінімальне напруга, що комутується;

♦ максимальний комутований струм;

♦ гранична частота і амплітуда комутованих сигналів;

♦ граничне (максимальне і мінімальне) напруга живлення комутатора;

♦ вхідний опір і ємність по ланцюгу управління.

Примітка.

Ідеальним комутатором слід вважати безінерційною електронне перемикаючий пристрій, що має нульовий опір і ємність замкнутого ключа, нескінченно великий опір і нульову ємність разомкнутого ключа, нульові струми витоку.

Рис. 23.2. Схема прецизійного підсилювача з електронним управлінням

Рис. 23.7. Схема підсилювача з електронним декадних перемиканням коефіцієнта передачі

Підсилювач на ОП з електронним ступінчастим управлінням дозволяє отримати сітку коефіцієнтів передачі 1, 10, 100, 1000 (рис. 23.1). Коефіцієнт передачі за умови близькості нулю опору замкнутого електронного ключа можна визначити з співвідношення (Rl + R2) / R2; (R3 + R4) / R4; (R5 + R6) / R6.

Раду.

Керуючі входи кожного з електронних ключів для зниження ймовірності перемикання під впливом наведень тут і в наступних схемах рекомендується з’єднати з загальною шиною через резистор опором 1 МОм.

Інший варіант підсилювача на ОП з електронним управлінням показаний на рис. 23.2. Його коефіцієнт передачі визначається з виразу R3 / R1; R4 / R1; R5 / R1; R6 / R1; R7 / R1 при замиканні відповідного ключа комутатора DA2.1—DA2.5.

Рис. 23.3. АЧХ прецизійного підсилювача з електронним управлінням за схемою рис. 23.2 при включенні відповідного ключа 1-5. DA 7 UA709C

Рис. 23.4. Схема прецизійного підсилювача з електронним управлінням

АЧХ підсилювача приведена на рис. 23.3. Прецизійний підсилювач із зворотним зв’язком місткості і електронним управлінням показаний на рис. 23.4. Його граничний коефіцієнт передачі в області нижніх частот визначається зі співвідношення R2 / R1. Частотну кордон зниження коефіцієнта передачі на рівні -3 дБ, Гц, можна оцінити

з виразуде R2 = 106 Ом; С – ємність підключеного конденсатора, пФ. Частота нульового посилення, Гц, визначається

як

АЧХ підсилювача (схема на рис. 23.4) при перемиканні ключів комутатора DA2.1-DA2.4 представлена ​​на рис. 23.5. Опір замкнутого ключа DA2.1 – DA2.4 при побудові АЧХ прийнято за 100 Ом. Граничний коефіцієнт послаблення

Рис. 23.5. АЧХ прецизійного підсилювача з електронним управлінням за схемою рис. 23.4 при включенні відповідного ключа 1-4. DA 7 UA709C

ня (область високих частот) визначається як або -40 дБ.

Раніше в техніці посилення низьких частот широко застосовували багатопозиційні механічні перемикачі, комутуючі ланцюжка резисторів. Очевидно, що таке схемне рішення мало перевагу в мінімальних втратах на контактах в перші місяці експлуатації апаратури, дозволяло коммутировать великі струми. Недоліки також були очевидні:

♦ незадовільні масогабаритні показники;

♦ необхідність прикладання значних зусиль для перемикання;

♦ шуми і тріски при перемиканні або роботі;

♦ непостійність електричного опору контактної групи;

♦ схильність контактів до корозії і механічного зносу;

♦ низька надійність і довговічність;

♦ складність розводки електричних провідників, особливо, при необхідності одночасного управління сукупністю однакових каналів апаратури.

Заміна механічних комутаторів електронними ключами різко підвищила надійність роботи апаратури, знизила її габарити і вага, дозволила управляти пристроєм дистанційно за допомогою електричних сигналів.

На рис. 23.6 наведені електричні схеми аттенюаторів з електронним управлінням, що дозволяють дискретно змінювати коефіцієнт передачі з кроком 10 або J. дБ [23.1].

Фільтр низьких частот із ступінчастим перемиканням частоти зрізу, рис. 23.7, для ідеальних ключів DA2.1-DA2.5 має АЧХ, наведену на рис. 23.8.

Фільтр на мікросхемі DA1 (рис. 23.9) при перемиканні ключа SA1 здатний змінювати свою АЧХ: в положенні (А) ключа SA1 і подачі керуючого сигналу на один з входів управління електронного комутатора DA2.1-DA2.4 він являє собою фільтр низьких частот. При перемиканні ключа SA1 в положення (В) пристрій перетворюється в керований смуговий фільтр. АЧХ того й іншого фільтрів наведено на рис. 23.10 і рис. 23.11.

Примітка.

Зазначу, що якщо але керуючі входи мікросхеми комутатора не подавати керуючий сигнал, пристрій буде виконувати функцію повторювача напруги.

Мікросхема ΒΑ7604Ν містить два перемикача на два положення і може застосовуватися при перемиканні входів радіоелектронної апаратури, працюючи з сигналами амплітудою до 2 В в частотній області 50 Гц-в МГц [23.2].

Мікросхема живиться від однополярного джерела напругою 5 В і здатна працювати на низкоомную навантаження. При подачі на керуючий вхід мікросхеми (виводи 4 і 7) напруги з логічним рівнем «1» ( м. тобто +5 В) будуть замкнуті верхні за схемою ключі комутатора, якщо на цих висновках присутній рівень логічного нуля, то нижні.

Примітка.

Особливістю комутатора ΒΑ7604Ν є те, що сигнали можуть передаватися тільки з входу на вихід, а не в ту і іншу сторону, як це прийнято для більшості інших аналогових комутаторів.

Типова схема включення – комутація двох двухсігнальних входів на два виходи, наприклад, двох джерел аудіо- та відеосигналів або двох джерел стереосигнала на два виходи дозволяє обмежитися використанням лише однієї мікросхеми DA1, рис. 23.12. Якщо джерел сигналу більше, наприклад, чотири, потрібно нарощування числа комутаторів, так, як це показано на рис. 23.12 [23.2].

Аналогові комутатори можна використовувати не тільки для перемикання джерел аудіосигналів. Так, наприклад, за допомогою електронного перемикача, рис. 23.13, можна дискретно перемикати канали

Рис. 23.6. Електронні атенюатори з кроком ЮдБ (ліворуч) і 7 дБ (праворуч)

(Робочі піддіапазони, частоти прийому або передачі) приймальні або передавальної апаратури.

На основі КМОП-комутатора може бути зібраний елемент комутації, що володіє ефектом пам’яті, рис. 23.14 [23.3]. У початковому стані ключ розімкнений, напруга на його навантаженні – резисторі R1 – дорівнює нулю. Якщо натиснути кнопку SB1, то на керуючий вхід

Рис. 23.9. Схема перемикається фільтра низьких частот (А) – смугового фільтра (В) з електронною комутацією відаАЧХ

Рис. 23.8. Амплітудно-частотна характеристика фільтра з електронним управлінням, рис. 23.7, при включенні відповідного ключа DA2.7-DA2.5

ключа надійде напруга високого рівня, ключ замкнеться і само- заблокується, залишаючись у включеному стані невизначено тривалий час.

Повернути пристрій в початковий стан можна короткочасним відключенням напруги живлення або натисканням на кнопку SB2. У цьому відношенні розглянутий елемент комутації нагадує тиристорний ключ.

До числа недоліків перемикача можна віднести те, що граничного

Рис. 23.10. Амплітудно-частотна характеристика фільтра низьких частот (А) з електронним управлінням, рис. 23.9, при включенні відповідного ключа DA2.1-DA2.4

Рис. 23.11. Амплітудно-частотна характеристика смугового фільтра (В) з електронним управлінням, рис. 23.9, при включенні відповідного ключа DA2.1-DA2.4

ний струм навантаження не може перевищувати 10 мА, а при короткому замиканні навантаження КМОП-комутатор може вийти з ладу.

Раду.

Кратно підвищити граничний струм навантаження можна при паралельному включенні декількох комутаторів.

Електронні комутатори на основі поширених мікросхем серії К176КТ1, К561КТЗ, К564КТЗ і т. П.

мають помітний недолік: вони імітують нормально розімкнуті контакти, замикає лише при подачі напруги високого рівня на керуючий електрод коммутирующего елемента.

Рис. 23.16. Схема комутатора аналогових сигналів

Рис. 23.15. Схема електронного аналога двохпозиційного перемикача зі світлодіодною індикацією положення

На рис. 23.15 показана схема електронного аналога двохпозиційного перемикача на основі мікросхеми типу Κ564ΚΫ3 зі світлодіодною індикацією положення.

Для комутації аналогових низькочастотних сигналів (до 1 МГц) можна використовувати поширені КМОП- комутатори, наприклад, К564КТЗ, рис. 23.16 [23.4]. При зміні рівня одного з керуючих сигналів ключі DA1.1 і

DA1.2 перемикаються, відповідно, перемикається висновок резистора R1. В одному випадку він безпосередньо сполучений з опором навантаження, у другому – заземлений, а резистор навантаження відключений. Величину опору навантаження зазвичай вибирають рівною або більшою R1.

Раду.

При виготовленні комутатора слід врахувати, що опір закритого ключа мікросхеми К564КТЗ наближається до опору ізоляції, откритого- становить 50-150 Ом, що може вносити певні спотворення в трансльований сигнал. Кратно знизити опір відкритого ключа можна за рахунок паралельного з’єднання декількох таких ключів. Інший вихід – вибирати в якості КМОП-комутатора сучасні мікросхеми з малим опором відкритого ключа.

На базі KMOI 1-комутаторів може бути зібраний генератор прямокутних імпульсів. Приклад такого генератора наведено на рис. 23.17 [23.5].

Генератор імпульсів (рис. 23.18) виконаний на КМОП-комутаторі – елементах DA1.1, DA1.2 мікросхеми К561КТЗ [23.6].

При включенні генератора обидва ключові елементи мікросхеми розімкнуті. Конденсатор С2 через резистор R5 заряджається до напруги, при якому ключ DA1.1 включається. На резистивний дільник R1-R3 подається напруга живлення; конденсатор С1 заряджається через резистор R4, резистор R3 і частина потенціометра R2. Коли напруга на його позитивної обкладці досягне напруги включення ключа DA1.2, відбудеться розряд обох конденсаторів, і процес їх заряда- розряду буде періодично повторюватися.

Потенціометр R2 дозволяє змінювати величину «стартового» напруги для заряду конденсатора С1 і, отже, частоту генеруючих імпульсів в межах від одиниць до десятків герц.

Паралельно ланцюжку резисторів R1-R3 може бути включено опір навантаження або індикатор роботи генератора, наприклад, світлодіод з струмообмежувальним резистором 680 Ом.

Пристрій можна використовувати як генератора, керованого напругою. Для цього керуюча напруга від 4-5 В до 15 В необхідно підключити замість напруги живлення. Зі зниженням напруги живлення частота генеруючих імпульсів зростає.

На невикористовуваних елементах мікросхемиDA1.3 і DA1.4 може бути зібраний другий генератор імпульсів. Напруга для живлення мікросхеми подають на висновки 14 (плюс) і 7 (мінус, загальний провід).

Рис. 23.7 7. Схема генератора імпульсів на мікросхемі К561КТ1

Рис. 23.18. Схема генератора імпульсів на КМОП-комутаторі

Примітка.

Відомо, що такий поширений елемент комутації, як електромагнітне реле, володіє гістерезисних властивістю: ток його включення набагато перевершує струм відпускання.

Для включення реле на зниженій напрузі зазвичай використовують схеми короткочасного (пускового) подвоєння напруги і, відповідно, подвоєння струму через обмотку.

Одна з таких схем наведена на рис. 23.19 [23.7]. Для керування роботою реле використана мікросхема аналогового ключа фірми Maxim – МАХ4624 / 4625 [23.8]. При вхідному сигналі за рівнем, що досягає значення логічної одиниці, ключ мікросхеми перемикається.

При замиканні ключа S1 ​​на обмотку реле через діод VD1 подається напруга живлення 2,5 В, не достатня для спрацьовування реле. Одночасно конденсатор С2 заряджається через замкнутий ключ мікросхеми DA1, струмообмежувальні резистор R2 і діод VD1 до напруги, близького напруги харчування.

Конденсатор С1, підключений до керуючого входу мікросхеми DA1, заряджається через резистор R1. Як тільки напруга на його обкладках перевищить поріг спрацьовування ключового елемента мікросхеми, її «контакти» переключать конденсатор С2 таким чином, що напруга на ньому підсумовується з годує напругою, і це напруга виявляється прикладеним до обмотки реле. Реле спрацює, включивши своїми контактами До 1.1 навантаження.

Оскільки конденсатор С2 розрядиться, струм в реле буде підтримувати основне джерело живлення через діод VD1. Таке схемне рішення дозволяє використовувати в низьковольтної схемою (2,5 В) щодо високовольтне (Розраховане на 5 В) реле, одночасно знизивши потужність, споживану реле, вчетверо.

Рис. 23.7 9. Схема живлення реле зниженою напругою

Мікросхеми серії К1109КТ2, виконані на біполярних транзисторах (рис. 23.20), призначені для семиканальний комутації навантажень з підвищеним струмом споживання. В основі кожного ключа мікросхеми використаний найпростіший підсилювач на складеному транзисторі, включеному за схемою Дарлінгтона. Максимальний комутований струм – 0,35 А на частоті до 50 кГц при граничній потужності, що розсіюється на ключі в імпульсі, що не понад 1 Вт (або 2 Вт на всю мікросхему). При підвищенні частоти комутованого сигналу до 10 МГц граничний вихідний струм на канал знижується до 12-25 мА.

Максимальна напруга джерела живлення – 50 В. Слід враховувати, що на відкритому вихідному

Рис. 23.20. Схеми внутрішньої будови і типового включення мікросхем ΚΙ 109КТ2

транзисторі ключа при максимальному струмі навантаження падає не менше 1,6-2,0 В. Кнопка SB1 (рис. 23.20) призначена для одночасної перевірки справності елементів індикації.

Мікросхеми К1109КТ2ху де х = 1, 2, 3, 4, відрізняються від К1109КТ2 наявністю додаткових гасять напруга елементів у вхідних ланцюгах ключів, рис. 23.20.

Враховуючи особливості внутрішньої будови мікросхем-ключів К1109КТ2, допускається їх використання та в позаштатному включенні. На рис. 23.21 показана можливість використання мікросхеми– комутатора К1109КТ2 в якості семиканального підсилювача. На рис. 23.22 приведена схема застосування цієї мікросхеми .для комутації ланцюгів з індуктивним навантаженням (реле). Внутрішні діоди ключів мікросхеми при підключенні виведення 9 до шини харчування захищають вихідні транзистори від пошкодження.

Мікросхеми К1109КТ6х, де х-2, 3, 4, 5, призначені для восьмиканального управління навантаженнями, рис. 23.23. Їх внутрішня будова та основні характеристики відповідають таким для мікросхем К1109КТ2ху де х = 1,2у 3, 4.

Рис. 23.23: Використання мікросхеми К1 Ю9КТ6х для восьмиканального управління світлодіодними індикаторами

Рис. 23.22. Використання мікросхеми ΚΙ 109КТ2 з релейними навантаженнями

Рис. 23.27. Використання мікросхеми ΚΙ 109КТ2 в якості багатоканального підсилювача

Мікросхема ULN2003Ay вироблена фірмою STM (вітчизняний аналог ILN2003A), складається з ключів йа складових біполярних транзисторах з діодним захистом по входу і виходу (рис. 23.24). Мікросхема призначена для управління роботою активної (граничний струм до 0,5 А) або індуктивним навантаженням при напрузі живлення до 50 В. Ключі мікросхеми управляються від вхідних сигналів ТТЛ рівнів.

Приклад використання мікросхеми ULN2003A для керування роботою ламп розжарювання показаний на рис. 23.25.

Примітка.

Якщо в якості навантаження використані світлодіоди, послідовно кожному з них слід встановити струмообмежуючі резистор.

Для перевірки справності елементів світлової індикації необхідно короткочасно натиснути кнопку SA1 «Тест».

При роботі на індуктивне навантаження (електромагніти, обмотки реле і т. П.) Для захисту вихідних транзисторів мікросхеми висновок 9 мікросхеми слід підключити до шини харчування, як показано на рис. 23.26.

Рис. 23.24. Структурна схема Рис. 23.26. Схема включення мікросхеми

мікросхеми ULN2003A (ILN2003A) (JLN2003A при роботі на індуктивне навантаження

Мікросхема UDN2580A містить 8 ключів (рис. 23.27). Вона здатна працювати на активну і індуктивне навантаження при напрузі живлення 50 В і максимальному струмі навантаження до 500 мА.

Рис. 23.27. Цоколевка і еквівалентна схема мікросхеми UDN2580A

Мікросхема UDN6118A (рис. 23.28) призначена для 8-й канального ключового управління активним навантаженням при максимальній напрузі до 70 (85) В при струмі до 25 (40) мА. Одна з областей застосування цієї мікросхеми – узгодження низьковольтних логічних рівнів з високовольтної навантаженням, зокрема, вакуумними флуоресцентними дисплеями. Вхідна напруга, достатня для включення навантаження – від 2,4 до 15 В.

Збігаються з мікросхемами UDN2580A по цоколевке, а за внутрішньою будовою з мікросхемами UDN6118A інші мікросхеми цієї серії – UDN2981 – UDN2984.

Рис. 23.29. Будова і цоколевка мікросхеми аналогового мультиплексора ADG408

Рис. 23.28. Цоколевка і еквівалентна схема мікросхеми UDN6118А

Аналогові мультиплексори ADG408! ADG409 фірми Analog Device можна віднести до керованих цифровим кодом багатоканальним електронним перемикачів. Перший з мультиплексорів (ADG408) здатний перемикати єдиний вхід (вихід) на 8 виходів (входів), рис. 23.29. Другий (ADG409) – перемикає 2 входи (виходи) на 4 виходи (входу), рис. 23.30.

Максимальний опір замкнутого ключа не перевищує 100 Ом і залежить від напруги живлення мікросхеми.

Мікросхеми можуть харчуватися від двох-або однополярного джерела живлення напругою до ± 25 В, відповідно, комутовані сигнали по знаку і амплітуді повинні укладатися в ці діапазони. Мультиплексори відрізняються малим споживанням струму – до 75 мкА. Гранична частота комутованих сигналів – 1 МГц.

Рис. 23.30. Будова і цоколевка мікросхеми аналогового мультиплексора ADG409

Мікросхема К174КП1

(Зарубіжний прототип – TDA1029, фірма Philips) являє собою аналоговий двоканальний перемикач – два канали на чотири положення, рис. 23.31.

Рис. 23.31. Схеми внутрішньої будови і типового включення мікросхеми К174КП1

Цей електронний перемикач призначений для комутації низькочастотних (зазвичай до 20 кГц) сигналів. Номінальна напруга живлення мікросхеми – 15 В (межі – 6-23 Г), споживаний струм до 5 мА. Вхідний опір – 350-450 Ом. Опір навантаження – не менше 4,7 кОм при її ємності до 100 ηФ.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.