Многие устройства имеют в своем составе цепи управления (коммутации) нагрузкой, которые обеспечивают их включение/выключение и задают яркость свечения ламп и т.д.. Такие цепи обычно строятся на основе тиристоров или симисторов, реже применяют транзисторы, оптотиристоры или электромагнитные реле. Используя современные тиристоры и симисторы можно коммутировать мощные лампы с напряжением питания свыше 220 В. В маломощных светоизлучающих системах с этой же целью могут использоваться мощные транзисторы, которые управляют лампами с низким напряжением питания (возможные пределы зависят от параметров применяемых транзисторов). Ниже приводятся схемы нескольких простейших узлов коммутации нагрузки.
Очень часто в качестве коммутирующих элементов используются тиристоры серии КУ202 и симисторы серии. КУ208. Эти компоненты выдерживают напряжения 25...480 В (зависит от конкретного типа элемента) и обеспечивают ток в открытом состоянии до 5...10 А. Если же необходимо коммутировать светоизлучатели большей мощности, то могут применяться тиристоры серий Т106-10-4, Т122-20-2, Т131-40-3. В общем случае применение симисторов в качестве коммутирующих элементов несколько упрощает схемы вследствие того, что они могут коммутировать переменное напряжение, т.е. отсутствует необходимость во включении диодного моста на входе силовой цепи (повышается КПД и уменьшаются габариты устройства в целом). Кроме этого, имеется принципиальная возможность применения оптотиристоров, которые обеспечивают гальваническую развязку между силовыми цепями и схемой управления.
Puc.1
На рис.1 приведена типовая схема включения тиристора в качестве элемента коммутации обычных ламп накаливания. Управляющий сигнал с амплитудой 3...7В подается непосредственно на управляющий электрод тиристора VS1. Схема управления должна обеспечивать ток до 200 мА на этом входе. Диодный мост VD1-VD4 обеспечивает подачу на тиристор постоянного напряжения (в случае применения симистора диодный мост можно удалить).
Puc.2
На рис. 2 схема коммутации дополнена эмитгерным повторителем. Слаботочный управляющий сигнал подается на базу транзистора VT1. Ток коммутации протекает через транзистор, то-коограничивающий резистор R1 и управляющий электрод тиристора VS1. В этом случае входное управляющее напряжение может иметь амплитуду немногим более 1 В.
Puc.3
С помощью оптронного тиристора (рис. 3) можно гальванически развязать управляющий сигнал и силовые цепи. В этом случае управляющие импульсы поступают на тиристор уже с оптрона.
Puc.4
Схема на рис. 4 позволяет реализовать гальваническую развязку с помощью импульсного трансформатора. На элементах D1.1 и D1.2 собран высокочастотный генератор с частотой 25 кГц. В исходном состоянии генератор заперт низким уровнем на входе 2 элемента D 1.1. При появлении на входе 2 высокого уровня генератор, запускается и высокочастотные импульсы открывают тиристор VS1 (лампа зажигается).
Puc.5
На рисунке 5 приведены другие часто встречающиеся схемы.
Коммутатором называют устройство, позволяющее коммутировать (включать или переключать) электрические сигналы. Аналоговый коммутатор предназначен для коммутации аналоговых, т. е. изменяющихся по амплитуде во времени сигналов.
Отмечу; что аналоговые коммутаторы с успехом можно применять и для коммутации цифровых сигналов.
Обычно состоянием «включено/выключено» аналогового коммутатора управляют подачей управляющего сигнала на управляющий вход. Для упрощения процесса коммутации для этих целей используют цифровые сигналы:
♦ логическая единица - ключ включен;
♦ логический ноль - выключен.
Чаще всего уровню логической единицы отвечает диапазон управляющих напряжений, лежащих в пределах от 2/3 до 1 от напряжения питания микросхемы коммутатора, уровню логического нуля - зона управляющих напряжений в пределах от 0 до 1/3 от напряжения питания. Вся промежуточная область диапазона управляющих напряжений (от 1/3 до 2/3 от величины напряжения питания) соответствует зоне неопределенности. Поскольку процесс переключения носит, хотя и неявно выраженный, пороговый характер, аналоговый коммутатор можно рассматривать по отношению к входу управления как простейший .
Основными характеристиками аналоговых коммутаторов являются:
К числу недостатков переключателя можно отнести то, что предель-
При включении генератора оба ключевых элемента микросхемы разомкнуты. С2 через R5 заряжается до напряжения, при котором ключ DA1.1 включается. На резистивный делитель R1-R3 подается напряжение питания; С1 заряжается через R4, R3 и часть потенциометра R2. Когда напряжение на его положительной обкладке достигнет напряжения включения ключа DA1.2, произойдет разряд обоих конденсаторов, и процесс их заряда- разряда будет периодически повторяться.
Для проверки исправности элементов световой индикации необходимо кратковременно нажать кнопку SA1 «Тест».
При работе на индуктивную нагрузку (электромагниты, обмотки и т. п.) для защиты выходных транзисторов микросхемы вывод 9 микросхемы следует подключить к шине питания, как показано на рис. 23.26.
Рис. 23.24. Структурная Рис. 23.26. включения микросхемы
микросхемы ULN2003A (ILN2003A) (JLN2003A при работе на индуктивную нагрузку
UDN2580A содержит 8 ключей (рис. 23.27). Она способна работать на активную и индуктивную нагрузку при напряжении питания 50 В и максимальном токе нагрузки до 500 мА.
Рис. 23.27. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN2580A
UDN6118A (рис. 23.28) предназначена для 8-и канального ключевого управления активной нагрузкой при максимальном напряжении до 70(85) В при токе до 25(40) мА. Одна из областей применения этой микросхемы - согласование низковольтных логических уровней с высоковольтной нагрузкой, в частности, вакуумными флуоресцентными дисплеями. Входное напряжение, достаточное для включения нагрузки - от 2,4 до 15 В.
Совпадают с микросхемами UDN2580A по цоколевке, а по внутреннему строению с микросхемами UDN6118A другие микросхемы этой серии - UDN2981 - UDN2984.
Рис. 23.29. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG408
Рис. 23.28. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN6118А
Аналоговые мультиплексоры ADG408!ADG409 фирмы Analog Device можно отнести к управляемым цифровым кодом многоканальным электронным переключателям. Первый из мультиплексоров (ADG408) способен переключать единственный вход (выход) на 8 выходов (входов), рис. 23.29. Второй (ADG409) - переключает 2 входа (выхода) на 4 выхода (входа), рис. 23.30.
Максимальное замкнутого ключа не превышает 100 Ом и от напряжения питания микросхемы.
Микросхемы могут питаться от двух- или однополярного источника питания напряжением до ±25 В, соответственно, коммутируемые сигналы по знаку и амплитуде должны укладываться в эти диапазоны. Мультиплексоры отличаются малым потреблением тока - до 75 мкА. Предельная частота коммутируемых сигналов - 1 МГц.
Сопротивление нагрузки - не менее 4,7 кОм при ее емкости до 100 ηФ.
Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.
Системы распределения информации имеют конечное число каналов для обслуживания вызовов между абонентами. При поступлении очередного вызова система связывает один из своих входов с одним из выходов с помощью коммутационных устройств. Соединение нескольких коммутационных устройств в единую схему связи называется схемой коммутации. Различают два вида схем коммутации: полнодоступная и неполнодоступная.
При полнодоступном включении каждый вход схемы коммутации может быть соединен через коммутационные устройства с любым выходом (каналом связи) (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема полнодоступного включения
Очевидно, что для реализации такой схемы необходимо коммутационных устройств и большое число линий связи между ними. На практике редко удается реализовать данную схему включения из-за высокой стоимости ее реализации. Одним из способов сокращения стоимости оборудования является способ соединения входов с выходами с помощью неполнодоступного включения. В этом случае заданному входу , доступны не все каналы связи, а лишь некоторые. Причем в совокупности всем входам доступны все выходы. Различают идеально неполнодоступные схемы (рис. 4.2 а) и схемы ступенчатого включения (рис. 4.2 б, в).
При идеальном неполнодоступном включении каждой -й нагрузочной группе доступна только одна группа выходов .
При ступенчатом включении каждой -й нагрузочной группе может быть доступно две и более группы каналов связи. Следовательно, идеальное неполнодоступное включение является частным случаем схемы ступенчатого типа. Различают два вида схем ступенчатого типа: неравномерные (рис. 4.2 б) и равномерные (рис. 4.2 в).
При неравномерном ступенчатом включении каждой -й нагрузочной группе соответствует разное число групп выходов. Соответственно при равномерном ступенчатом включении число групп выходов, подключенных к соответствующей группе входов, равно.
Рис. 4.2. Виды неполнодоступного включения:
а) – идеальное неполнодоступное включение;
б) – неравномерное ступенчатое включение;
в) – равномерное ступенчатое включение
Анализ рис. 4.2 показывает, что
благодаря ограничению доступа удается сократить число коммутационных устройств
и линий связи. Например, для схемы рис. 4.2 а, число коммутационных
устройств составит величину , которая будет меньше величины 
в случае
полнодоступного включения, причем минимум объема коммутационного оборудования
достигается при и
.
Для реализации схем рис. 4.2 б и в необходимо больше коммутационных устройств, чем для схемы рис. 4.2 а, но при этом обеспечивается более высокая пропускная способность для различных нагрузочных групп. Соответственно вероятность того, что заявка застанет все каналы занятыми, становится меньше, а качество обслуживания в целом выше.
Таким образом, для реализации разных схем включения необходим разный объем коммутационного оборудования. Причем наибольшие затраты имеют место при реализации полнодоступных коммутационных схем, а меньшие – при идеальных неполнодоступных схемах. При этом объем оборудования требуется тем меньше, чем больше имеется нагрузочных групп при неизменном числе каналов связи.
Недостатком однозвенной схемы включения является большой объем коммутационных устройств, требуемых для соединения входов с выходами. Причем с увеличением входов или выходов, число устройств коммутации возрастает многократно. Поэтому на практике чаще применяют двухзвенные, трехзвенные и т.п. системы, которые позволяют получить заметную экономию в объеме коммутационного оборудования.
Особенности многозвенных коммута-циионных схем заключаются в том, что соединение входов и выходов осуществляется не только с помощью точек коммутации, но и с помощью так называемых промежуточных линий, т.е. соединений между различными коммутаторами системы (рис. 4.4). В качестве примера рассмотрим двухзвенную коммутационную схему на 100 входов и 24 выхода. Все выходы разобьем на 4 группы, а входы на 10 групп. Причем каждая группа входов и выходов включена в отдельный коммутатор (рис. 4.5).
При появлении в конце 80-х начале 90-х годов быстрых протоколов, производительных персональных компьютеров, мультимедийной информации и разделении сети на большое количество сегментов классические мосты перестали справляться с работой. Обслужи вание потоков кадров между теперь уже несколькими портами с помощью одного процессорного блока требовало значительного повышения быстродействия процессора, а это довольно дорогостоящее решение.
Более эффективным оказалось решение, которое и «породило» коммутаторы: для обслуживания потока, поступающего на каждый порт, в устройство ставился отдельный специализированный процессор, который реализовывал алгоритм прозрачного моста. По сути, коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры сразу между всеми парами своих портов. Но если при добавлении процессорных блоков компьютер не перестали называть компьютером, а добавили только прилагательное «мультипроцессорный», то с мультипроцессорными мостами произошла метаморфоза - во многом по маркетинговым причинам они превратились в коммутаторы. Нужно отметить, что помимо процессоров портов коммутатор имеет центральный процессор, который координирует работу портов, отвечая за построение общей таблицы продвижения, а также поддерживая функции конфигурирования и управления коммутатором.
Со временем коммутаторы вытеснили из локальных сетей классические однопроцессорные мосты. Основная причина этого - существенно более высокая производительность, с которой коммутаторы передают кадры между сегментами сети. Если мосты могли даже замедлять работу сети, то коммутаторы всегда выпускаются с процессорами портов, способными передавать кадры с той максимальной скоростью, на которую рассчитан протокол. Ну а добавление к этому возможности параллельной передачи кадров между портами предопределило судьбу и мостов, и коммутаторов.
Производительность коммутаторов на несколько порядков выше, чем мостов - коммутаторы могут передавать до нескольких десятков, а иногда и сотен миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывали 3-5 тысяч кадров в секунду.
За время своего существования уже без конкурентов-мостов коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции, родившиеся в результате естественного развития сетевых технологий. К этим функциям относятся, например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), агрегирование линий связи, приоритезация трафика и т. п. Развитие технологии производства заказных микросхем также способствовало успеху коммутаторов, в результате процессоры портов сегодня обладают такой вычислительной мощностью, которая позволяет им быстро реализовывать весьма сложные алгоритмы обработки трафика, например выполнять его классификацию и профилирование.
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена небольшой компанией Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. У коммутатора компании Kalpana при свободном в момент приема кадра состоянии выходного порта задержка между получением первого байта кадра и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла всего 40 мкс, что было гораздо ниже задержки кадра при его передаче мостом.
Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена на рис. 1.
Рис. 1 Структура коммутатора EtherSwitch компании Kolpana
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet (Ethernet Packet Processor, EPP). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР, в частности ведет общую адресную таблицу коммутатора. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица. Она функционирует по принципу коммутации каналов, соединяя порты коммутатора. Для 8 портов матрица может одновременно обеспечить 8 внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при дуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.
При поступлении кадра в какой-либо порт соответствующий процессор ЕРР буферизует несколько первых байтов кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же приступает к обработке кадра, не дожидаясь прихода остальных его байтов.
1. Процессор ЕРР просматривает свой кэш адресной таблицы, и если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.
2. Если адрес назначенля найден в адресной таблице и кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра.
3. Если же адрес найден и кадр нужно передать на другой порт, процессор, продолжая прием кадра в буфер, обращается к коммутационной матрице, пытаясь установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица способна помочь только в том случае, если порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом данного коммутатора.
4. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.
5. После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD1, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байтов принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 2).
Рис 2. Передача кадра через коммутационную матрицу
Описанный пособ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» (on-the-fly), или «напролет» (cut-through). Этот способ представляет собой, по сути, конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во времени несколько этапов его передачи.
1. Прием первых байтов кадра процессором входного порта, включая прием байтов адреса назначения.
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше процессора или в общей таблице системного модуля).
3. Коммутация матрицы.
4. Прием остальных байтов кадра процессором входного порта.
5. Прием байтов кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.
7. Передача байтов кадра процессором выходного порта в сеть.
На рис. 3 подставлены два режима обработки кадра: режим коммутации «на лету» с частичным совмещением во времени нескольких этапов и режим полной буферизации кадра с последовательным выполнением всех этапов. (Заметим, что этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет смысла.)
Рис. 3. Экономия времени при конвейерной обработке кадра: a - конвейерная обработка,
б - обычная обработка с полной буферизацией
Как показывает схема, экономия от конвейеризации получается ощутимой. Однако главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.
Этот эффект иллюстрирует рис. 4, на котором показана идеальная в отношении производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью в 10 Мбит/с. Причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя: потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт.
Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4 х 10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для Депортов - (N/2) х 10 Мбит/с. В таком случае говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенному к его портам, выделенную пропускную способность протокола.
Рис. 4. Параллельная передача кадров коммутатором
Естественно, что в сети не всегда складывается описанная ситуация. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции по 10 Мбит/с, так как порт 8 не в состоянии передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet или Gigabit Ethernet.
Одним из популярных использований диодов является ослабление индуктивной "отдачи": импульсов высокого напряжения, возникающих при прерывании протекания постоянного тока через индуктивность. Возьмем, к примеру, простую схему на рисунке ниже без защиты от индуктивной отдачи.
Когда кнопка нажат, ток проходит через индуктивность, создавая вокруг нее магнитное поле. Когда кнопка отжимается, ее контакт разрывается, прерывая протекание тока через индуктивность и вызывая быстрое уменьшение магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцируемое в катушке провода, прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока во времени (закон Фарадея: e = NdΦ/dt), это быстрое уменьшение магнитного поля вокруг катушки создает "всплеск" высокого напряжения.
Если речь идет о катушке электромагнита, например, о соленоиде или реле, (сконструированной для создания физической силы при помощи магнитного поля при протекании тока), эффект индуктивной "отдачи" вообще не имеет никакой полезной цели. Фактически, он очень вреден для коммутатора, так как вызывает чрезмерное искрение контактов, что значительно сокращает их срок службы. Из практических способов уменьшения высоковольтного переходного процесса, возникающего при размыкании переключателя, нет более простого, чем так называемый коммутирующий диод, показанный на рисунке ниже.
Индуктивная отдача с защитой: (a) Ключ разомкнут. (b) Ключ замкнут, сохранение энергии в магнитном поле. (c) Ключ разомкнут, индуктивная отдача накоротко замыкается диодом. В этой схеме диод подключен параллельно катушке, поэтому, когда постоянное напряжение будет подаваться на катушку через кнопку, он будет смещен в обратном направлении. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток (рисунок выше (b)).
Однако когда ключ размыкается, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока индуцированием напряжения обратной полярности с целью поддержания тока той же величины и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке смещает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для протекания тока катушки индуктивности, поэтому вся ее накопленная энергия рассеивается медленно, а не мгновенно (рисунок выше (c)).
В результате напряжение, наведенное в катушке резко ее уменьшающимся магнитным полем, довольно мало: просто величина прямого падения напряжения на диоде, а не сотни вольт, как было ранее. Таким образом, во время процесса разряда к контактам ключа прикладывается напряжение, равное напряжению батареи плюс примерно 0,7 В (если используется кремниевый диод).
В языке электроники термин коммутация относится к изменению полярности напряжения или направления тока. Таким образом, назначение коммутирующего диода состоит в том, чтобы действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушке индуктивности при прерывании протекания через нее тока. Менее формальный термин для коммутирующего диода - демпфер, поскольку "демпфирует" или "гасит" индуктивную отдачу.
Примечательным недостатком этого метода является дополнительное время, которое добавляет к разрядке катушки. Поскольку наведенное напряжение ограничивается до очень низкого значения, скорость изменения магнитного потока во времени сравнительно невелика. Помните, что закон Фарадея описывает скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt), как пропорциональную наведенному мгновенному напряжению (e или v). Если мгновенное напряжение ограничено некоторым низким значением, то скорость изменения магнитного потока во времени будет также ограничена низким (медленным) значением.
Если катушка электромагнита "погашена" с помощью коммутирующего диода, магнитное поле буде рассеиваться с относительно низкой скоростью по сравнению с изначальным сценарием (без диода), где поле исчезает почти мгновенно после размыкания ключа. Количество времени, о котором идет речь, будет, скорее всего, меньше одной секунды, но оно будет заметно больше, чем без коммутирующего диода. Это может привести к неприемлемым последствиям, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, поскольку реле будет иметь естественную "временную задержку" обесточивания катушки, и нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым схемам.
К сожалению, нельзя одновременно и исключить высоковольтный переходной процесс индуктивной отдачи, и сохранить быстрое снятие намагниченности катушки: невозможно нарушить закон Фарадея. Однако, если медленное снятие намагниченности неприемлемо, можно достигнуть компромисса между переходными напряжением и временем, позволяя напряжению на катушке подняться до некоторого более высокого уровня (но не настолько высокого, как без коммутирующего диода). Схема на рисунке ниже показывает, как это можно сделать.
(a) Последовательно с коммутирующим диодом включен резистор. (b) Диаграмма напряжения. (c) Уровень без диода. (d) Уровень с диодом, но без резистора. (e) Компромиссный уровень с диодом и резистором. Резистор, включенный последовательно с коммутирующим диодом, позволяет напряжению, наведенному катушкой, подниматься до уровня превышающего прямое падение напряжения на диоде, ускоряя тем самым процесс размагничивания. Это, конечно же, будет давать большее напряжение на контактах, и поэтому резистор должен быть такого номинала, чтобы ограничить переходное напряжение на приемлемом максимальном уровне.
