Dioden-Schaltkreise

Dioden können Schalt- und digitale Logikoperationen ausführen. Vorwärts- und Rückwärtsvorspannung schalten eine Diode zwischen den Zuständen niedriger bzw. hoher Impedanz. Somit dient es als Schalter.

Logik

Dioden können digitale Logikfunktionen ausführen:UND und ODER. Diodenlogik wurde in frühen digitalen Computern verwendet. Es findet heute nur noch eingeschränkte Anwendung. Manchmal ist es praktisch, ein einzelnes Logikgatter aus wenigen Dioden herzustellen.

UND-Tor

Diode UND Gate

In der Abbildung oben ist ein UND-Gatter dargestellt. Logikgatter haben Eingänge und einen Ausgang (Y), der eine Funktion der Eingänge ist. Die Eingänge zum Gate sind hoch (logisch 1), beispielsweise 10 V, oder niedrig, 0 V (logisch 0).

In der Figur werden die Logikpegel durch Schalter erzeugt. Wenn ein Schalter oben ist, ist der Eingang effektiv hoch (1). Wenn der Schalter unten ist, verbindet er eine Diodenkathode mit Masse, die niedrig (0) ist. Der Ausgang hängt von der Kombination der Eingänge bei A und B ab. Die Eingänge und der Ausgang werden üblicherweise in einer „Wahrheitstabelle“ bei (c) aufgezeichnet, um die Logik eines Gatters zu beschreiben. Bei (a) sind alle Eingänge hoch (1). Dies wird in der letzten Zeile der Wahrheitstabelle bei (c) aufgezeichnet.

Der Ausgang Y ist hoch (1) aufgrund von V+ auf der Oberseite des Widerstands. Es wird von offenen Schaltern nicht beeinflusst. Bei (b) zieht Schalter A die Kathode der angeschlossenen Diode auf Low und zieht den Ausgang Y auf Low (0,7 V). Dies wird in der dritten Zeile der Wahrheitstabelle aufgezeichnet.

Die zweite Zeile der Wahrheitstabelle beschreibt die Ausgabe mit umgekehrten Schaltern von (b). Schalter B zieht die Diode und den Ausgang auf Low. Die erste Zeile der Wahrheitstabelle zeichnet die Ausgabe =0 für beide Eingaben niedrig (0) auf.

Die Wahrheitstabelle beschreibt eine logische UND-Funktion. Zusammenfassung:Beide Inputs A und B High führen zu einem High (1) Out.

ODER-Gatter

Ein ODER-Gatter mit zwei Eingängen, das aus einem Paar von Dioden besteht, ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn beide Eingänge bei (a) logisch niedrig sind, wie durch beide Schalter „nach unten“ simuliert, wird der Ausgang Y durch den Widerstand niedrig gezogen. Diese logische Null wird in der ersten Zeile der Wahrheitstabelle bei (c) aufgezeichnet. Wenn einer der Eingänge wie bei (b) hoch ist oder der andere Eingang hoch ist oder beide Eingänge hoch sind, leiten die Diode(n) und ziehen den Ausgang Y hoch.

Diese Ergebnisse werden in der zweiten bis vierten Zeile der Wahrheitstabelle neu geordnet. Zusammenfassung:Jeder Eingang „High“ ist ein High-Out bei Y.

ODER-Gatter:(a) Die erste Zeile der Wahrheitstabelle (TT). (b) Die dritte Zeile des TT. (d) Logisches ODER von Stromversorgung und Pufferbatterie.

Anwendungen der ODER-Logik

Eine Backup-Batterie kann in Abbildung oben (d) mit einer netzbetriebenen DC-Stromversorgung ODER-verdrahtet werden, um eine Last selbst bei einem Stromausfall mit Strom zu versorgen. Bei vorhandener Wechselspannung versorgt das Netz die Last, vorausgesetzt, es liegt eine höhere Spannung als die Batterie vor. Bei Netzausfall sinkt die Netzspannung auf 0 V; die Batterie versorgt die Last.

Die Dioden müssen mit den Stromquellen in Reihe geschaltet sein, um zu verhindern, dass eine ausgefallene Netzversorgung die Batterie entlädt und um zu verhindern, dass sie die Batterie überlädt, wenn Netzspannung verfügbar ist. Behält Ihr PC-Computer seine BIOS-Einstellungen bei, wenn er ausgeschaltet ist? Behält Ihr Videorecorder (Videokassettenrecorder) die Uhrzeiteinstellung nach einem Stromausfall bei? (PC Ja, alter Videorecorder nein, neuer Videorecorder ja.)

Analoger Schalter

Dioden können analoge Signale schalten. Eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode scheint ein offener Stromkreis zu sein. Eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode ist ein Leiter mit niedrigem Widerstand. Das einzige Problem besteht darin, das AC-Signal, das geschaltet wird, vom DC-Steuersignal zu isolieren.

Die Schaltung in der Abbildung unten ist ein paralleles Resonanznetzwerk:Resonanz-Abstimminduktivität parallel zu einem (oder mehreren) der geschalteten Resonatorkondensatoren. Dieser parallele LC-Schwingkreis könnte ein Vorauswahlfilter für einen Funkempfänger sein. Es könnte das frequenzbestimmende Netzwerk eines Oszillators (nicht gezeigt) sein. Die digitalen Steuerleitungen können von einer Mikroprozessorschnittstelle angesteuert werden.

Diodenschalter:Ein digitales Steuersignal (niedrig) wählt einen Resonatorkondensator durch Vorspannung der Schaltdiode in Vorwärtsrichtung aus.

Der DC-Sperrkondensator mit großem Wert erdet die resonante Abstimminduktivität für Wechselstrom, während er Gleichstrom blockiert. Es hätte eine niedrige Reaktanz im Vergleich zu den parallelen LC-Reaktanzen. Dies verhindert, dass die Anoden-Gleichspannung durch die resonante Abstimminduktivität mit Masse kurzgeschlossen wird. Ein geschalteter Resonatorkondensator wird ausgewählt, indem die entsprechende digitale Steuerung auf Low gezogen wird. Dadurch wird die Schaltdiode in Durchlassrichtung vorgespannt.

Der Gleichstrompfad führt von +5 V über eine HF-Drossel (RFC), eine Schaltdiode und einen RFC über die digitale Steuerung nach Masse. Der Zweck des RFC bei +5 V besteht darin, Wechselstrom von der +5-V-Versorgung fernzuhalten. Der RFC in Reihe mit der digitalen Steuerung soll AC von der externen Steuerleitung fernhalten. Der Entkopplungskondensator schließt den kleinen Wechselstrom, der durch den RFC leckt, gegen Masse kurz, wobei die externe digitale Steuerleitung umgangen wird.

Wenn alle drei digitalen Steuerleitungen hoch (≥+5 V) sind, werden aufgrund der Sperrvorspannung der Diode keine geschalteten Resonatorkondensatoren ausgewählt. Das Ziehen einer oder mehrerer Leitungen auf Low wählt jeweils einen oder mehrere geschaltete Resonatorkondensatoren aus. Wenn mehr Kondensatoren parallel zur Resonanz-Abstimminduktivität geschaltet werden, nimmt die Resonanzfrequenz ab.

Die in Sperrrichtung vorgespannte Diodenkapazität kann im Vergleich zu sehr hochfrequenten oder ultrahochfrequenten Schaltungen beträchtlich sein. PIN-Dioden können als Schalter für eine geringere Kapazität verwendet werden.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Grundlegendes Logic Gates-Arbeitsblatt