Коммутация в телекоммуникациях. Схемы устройств малопроводной связи и коммутации

Нередко встречаются практические ситуации, когда необходимо обеспечить управление нагрузкой (например, осветительными лампами) по проводам с нескольких пультов. Первое, что приходит в голову, это решить подобную задачу «в лоб»: использовать множество проводов, ровно столько, сколько требуется для очевидного решения проблемы. В то же время понятно, что чем больше проводов, чем они длиннее, тем дороже и сложнее получается линия передачи или коммутации, тем меньше ее надежность, тем выше вероятность повреждения.

На рис. 15.1 приведена простая схема организации двухсторонней связи с использованием телеграфной азбуки [Р 7/84-39]. На приемной и передающей сторонах использованы одинаковые генераторы звуковой частоты, нагруженные на телефонные капсюли. Эти капсюли связаны между собой двухпроводной линией связи. Каждый из них одновременно является монитором (устройством контроля) собственного сигнала и индикатором звуковых сигналов, вырабатываемых корреспондентом. Очевидно, чем длиннее линия, тем выше ее электрическое сопротивление, тем выше потери сигнала в ней, соответственно, уменьшается и громкость принимаемого от корреспондента сигнала.

Если расстояние между корреспондентами не столь велико, в качестве одного из проводов линии при работе летом в полевых условиях можно использовать «землю». Для этого в землю вбивают металлический штырь, к которому присоединяют провод. На приемной стороне выполняют аналогичные действия. В качестве провода линии может быть использована и металлическая арматура, трубы, если связь происходит в пределах одного здания.

Генераторы передающей и приемной сторон питаются от отдельных источников питания — гальванических элементов напряжением 1,5 В. Для включения генераторов использованы телеграфные ключи S1 и S2. При отсутствии ключа аналог можно сделать из подручных материалов или использовать для этих целей кнопки. Специальных выключателей питания устройство не требует: эту функцию выполняют телеграфные ключи.

Для полноценного пользования телеграфной связью необходимо, как минимум, месяц осваивать телеграфную азбуку. Поэтому более привлекательными являются системы проводной телефонной связи. На рис. 15.2 — 15.4 приведены варианты практической реализации такой связи.

На рис. 15.2 показана типовая схема организации простейшего варианта проводной связи при использовании усилителя низкой частоты любого типа (см. главу 4). В качестве обратимых преобразователей звука (громкоговоритель — микрофон) используются обычные широко распространенные звуко-излучающие головки электродинамического типа. Для этих же целей можно использовать и телефонные капсюли, громкоговорители радиотрансляционной сети без каких-либо переделок.

Интересно, что наиболее простую линию связи можно организовать, соединив длинными проводами пару громкоговорителей радиотрансляционной сети. Громкость сигнала, разумеется, будет не столь высока, однако какого-либо источника питания для организации связи не требуется.

Переключатели SA1.1 и SA1.2 сдвоены и установлены на стороне одного из абонентов, который и производит поочередное их переключение с приема на передачу. Этим обстоятельством, конечно же, уменьшаются возможности второго абонента.

Практическая схема осуществления двухпроводной связи по схеме рис. 15.2 приведена на рис. 15.3. В качестве усилителя низкой частоты использован однокаскадный усилитель на транзисторе КТ315. Устройство питается от батареи напряжением 9 В. Выключатель питания на схеме не показан.

Устройство двухпроводной телефонной связи описано в книге П. Величкова и В. Христова (рис. 15.4). Оно подключается в двухпроводную линию, имеет собственный источник питания, отключаемый при помощи переключателя SA1. Одновременно этот переключатель (кнопка) позволяет переключать телефонную трубку (в которой собрано устройство) с приема на передачу. В режиме приема батарея, питающая усилитель, отключена. Устройство может находиться в состоянии «на прием» неограниченно долго. При нажатии кнопки SA1 включается двухкаскадный усилитель низкой частоты. Телефонный капсюль становится микрофоном, линия, с подключенными телефонами абонентов, является его нагрузкой. Преимуществом такого схемного решения является то, что количество телефонных трубок (число абонентов), подключенных к линии, не ограничено, но обычно не более десяти.

Помимо организации линии связи не менее актуальным является вопрос, касающийся равноправной возможности управления нагрузками с нескольких пультов. Такого рода задачи встречаются в сельском хозяйстве или в быту при необходимости включения освещения на входе в длинный коридор и выключения света при выходе из него. Существует много схемных решений, позволяющих выполнить эту задачу с использованием минимального количества проводов. С некоторыми из них можно познакомиться на рис. 15.5 — 15.11.

Устройство (рис. 15.5) позволяет включать/выключать ток в нагрузке с двух (или более) пультов управления при использовании источника постоянного тока [Р 2/73-48]. В схеме использовано свойство полупроводникового диода проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения. Переключатели SA1 и SA2, установленные на противоположных сторонах линии, позволяют менять полярность питающего напряжения. Соответственно, при смене полярности диод будет закрыт, и ток через нагрузку не пойдет. Включение (переключение положения) любого из переключателей вновь сменит полярность и обеспечит тем самым «правильное», прямое подключение диода в разрыв линии, и протекание тока через нагрузку. В качестве нагрузки (рис. 15.5) может быть использован звуковой генератор либо светодиод с ограничительным резистором. Для самостоятельной доработки схемы рекомендуется подумать, каким образом можно управлять нагрузкой при помощи трех или более пультов управления.

Для многопультовой коммутации нагрузки, например, осветительных ламп, от источника постоянного или переменного тока могут быть использованы схемы, приведенные на рис. 15.6 и 15.7. Переключатели SA1 и SA2, а также SA3 позволяют независимо друг от друга включать/выключать свет в длинном коридоре. В этой схеме использовано три провода.

Четырехпроводные линии двухпультового управления приведены на рис. 15.8 и 15.10. Схема коммутации трех нагрузок по двум проводам показана на рис. 15.9.

Схемы (рис. 15.8 и 15.9) выполнены с использованием реле. Это усложняет устройство, однако позволяет использовать для линии управления провода малого сечения, поскольку ток управления реле, и ток, расходуемый на питание нескольких осветительных ламп, отличаются в сотни раз.

Для проверки работоспособности приведенных на рис. 15.5 — 15.8 схем питание на них можно подать от низковольтного выпрямителя, а взамен ламп накаливания для индикации использовать цепочку светодиод — резистор (рис. 15.8). Величина гасящего резистора R (в кОм) может быть вычислена по формуле:

Совершенно иной принцип управления нагрузкой при помощи неограниченного числа последовательно включенных пультов — кнопок показан на рис. 15.11.

В исходном состоянии напряжение сети через гасящий конденсатор С1 и резистор R1 подается на выпрямитель (VD1 — VD4). На выходе выпрямителя включен стабилитрон, ограничивающий напряжение на схеме управления до 15 В. Параллельно стабилитрону включен резистор R2 и конденсатор С2 (небольшой эмкости), кроме этого, через диод VD5 подключен конденсатор СЗ большой емкости (1000 мкФ), параллельно которому подключены последовательно соединенные тиристор VS1 и обмотка реле К1. Управляющий электрод тиристора подключен к катоду диода VD5.

При кратковременном нажатии на любую из кнопок SB напряжение питания отключается, конденсатор С2 мгновенно разряжается через резистор R2, а управляющий электрод тиристора через этот резистор подключается к конденсатору СЗ. При разряде конденсатора СЗ тиристор отпирается. Реле срабатывает и своими контактами включает нагрузку. Поскольку напряжение питания после отпускания кнопки вновь подается на схему, конденсатор СЗ поддерживается в заряженном состоянии, а тиристор в проводящем. Для отключения нагрузки необходимо нажать и удерживать около секунды любую из кнопок управления. Конденсатор СЗ полностью разрядится, тиристор запрется, реле и нагрузка отключатся.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

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.

Характерной особенностью автомобиля можно считать его быстрое моральное старение, но долгую жизнь. Самое современное сегодня авто, как минимум через два года будет уже уступать другим, более новым, с улучшенными характеристиками, машинам. Но и сейчас на дорогах встречаются автомобили прошлого века. Поэтому не просто интересно, но порой и необходимо, знать хотя бы в общих чертах, что собой представляют подобные транспортные средства, их устройство, особенности, в том числе и такую вещь, как простой коммутатор зажигания, значительно изменивший возможности машины.

Что собой представляет и каков принцип работы коммутатора зажигания

Ещё на самых первых автомобилях для поджигания горючей смеси использовались системы батарейного зажигания, функциональная схема которой приведена на рисунке

Указанный рисунок позволяет понять, что ее работа основана на принципе самоиндукции. При разрыве цепи протекания тока в обмотке бобины 3, во вторичной наводится высоковольтная ЭДС, вызывающая появление искры на контактах свечи 2. Разрыв цепи вызывается размыканием контактов прерывателя 6.

Не касаясь достоинств или недостатков, следует отметить, что такая схема работала на автомобиле долгое время. И только появление новой элементной базы, дало толчок дальнейшему развитию подобного устройства, сохранив первоначальный принцип его работы.

Электронный коммутатор зажигания – следующий шаг в развитии

Самый простой и напрашивающийся вариант – использование транзисторных ключей для управления токами, протекающими через катушку зажигания . Так появился электронный коммутатор напряжения. Схема подобного простого устройства приведена ниже:


Коммутатор не влияет на первоначальный принцип работы, основанный на электромагнитной индукции. Роль электронных ключей, в качестве которых использованы транзисторы VT1 и VT2, заключается в том, чтобы уменьшить нагрузку на контакты прерывателя S1 и увеличить ток, протекающий через обмотку катушки L1. Следствием такого технического решения стало:

• повышение надежности работы всей системы зажигания;
• обеспечение возможности ее работы на больших оборотах двигателя и при высокой скорости движения;
• повышение степени сжатия.

Каким может быть коммутатор системы зажигания

Приведенная выше схема коммутатора – лишь один из вариантов, как может быть реализовано устройство зажигания. Это выполняется с использованием:

1. транзисторов;
2. тиристоров:
3. гибридных элементов;
4. бесконтактных датчиков.

Транзисторная схема коммутатора рассмотрена выше, тиристорная схема использует накопление энергии в конденсаторе, а не в электромагнитном поле катушки зажигания. В ходе работы тиристорной системы, при поступлении управляющих сигналов, схема подключает заряженный конденсатор к обмоткам катушки, через которую он и разряжается, вызывая появление искры. Не касаясь достоинств и недостатков, которыми обладает та или иная схема, достаточно сказать, что любое подобное устройство обеспечивает значительное улучшение всех параметров системы зажигания, а коммутатор со временем вытеснил обычное батарейное зажигание.

Однако необходимо отметить и ещё один этап развития системы, и коммутатора в частности. Использование электронных компонентов и введение в конструкцию автомобиля коммутатора, позволило со временем отказаться от контактного прерывателя напряжения и заменить его бесконтактным датчиком. Такая система, в отечественных автомобилях, впервые была применена в машинах ВАЗ, в частности ВАЗ 2108. Подобный принцип работы, когда коммутатор получает сигналы от специального узла, на ВАЗ 2108 реализован с использованием датчика Холла.


При рассмотрении вариантов, каким может быть устройство коммутатора, нельзя обойти вниманием развитие самой системы зажигания. Основной принцип, который реализуется при ее построении – повышение надежности и эффективности работы всей системы. Достигается это применением микропроцессорных систем, использующих показания многочисленных датчиков. Для работы с такими системами требуется, как минимум, двухканальный коммутатор, а в последнее время и отдельная катушка, и коммутатор на каждую свечу.
Такой подход – двухканальный коммутатор (в дальнейшем и многоканальный) позволяет обеспечить:

• более мощную искру;
• исключение потерь в трамблере;
• стабильный холостой ход;
• улучшенный пуск при пониженной температуре;
• снижение расхода топлива.

Стоит отметить, что двухканальный коммутатор позволяет избавиться от бегунка.

Как определить неисправность коммутатора зажигания

Введение в конструкцию автомобиля коммутатора зажигания, особенно на отечественных авто семейства ВАЗ, позволило повысить их надежность. И хотя первым серийным автомобилем с электронной системой зажигания был ВАЗ 2108, подобные устройства стали ставиться на многих других машинах, в первую очередь на классику. Однако использование такого достаточно сложного изделия привело к тому, что найти возникающую неисправность, а также проверить и отремонтировать коммутатор стало возможным по большей части только в условиях специализированных центров.
Внешними признаками, свидетельствующими, что появилась неисправность, могут быть:

1. двигатель не заводится, искры на свечах нет;
2. мотор заводится, но глохнет через несколько минут;
3. мотор работает неустойчиво, если коммутатор заменить на заведомо исправный, дефект устраняется.

Самый простой способ выявить неисправность и проверить коммутатор, как уже отмечено, – установить заведомо исправный. Из-за достаточно низкого качества коммутаторов, поступающих на комплектацию автомобилей семейства ВАЗ, в том числе и ВАЗ 2108, водителям приходится возить с собой дополнительные коммутаторы для замены отказавшего. Однако существует и косвенный принцип оценки, позволяющий проверить работоспособность изделия и выявить его неисправность.


Для этого можно воспользоваться показаниями вольтметра в комбинации прибора. Надо включить зажигание, при этом стрелка установится посередине шкалы, а немного погодя качнется вправо (из-за отключения питания катушки при неработающем двигателе). Такое поведение стрелки свидетельствует, что неисправность в коммутаторе отсутствует.
В том случае, когда вольтметра нет, чтобы проверить зажигание, потребуется контрольная лампа. Один ее конец присоединяется на массу, другой – к выходу катушки, соединенному с клеммой 1 коммутатора. Если включить зажигание, то при исправном коммутаторе через некоторое время лампа станет гореть ярче.

Однако, в некоторых случаях, неисправность зажигания не связана с отказом коммутатора. Надо проверить состояние проводов, в первую очередь контакт с массой и состояние разъемов. Также необходимо проверить датчик Холла.

Появление в конструкции автомобиля, в том числе и отечественного ВАЗ 2108, коммутатора напряжения, явилось закономерным результатом развития системы зажигания. Дальнейшим ее улучшением стало использование сначала двухканальных, а затем многоканальных коммутаторов для повышения эффективности работы.

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.

Ключи коммутации телефонных аппаратов (ТА) с линией являются, пожалуй, одним из наиболее сложных элементов сопряжения в микро-АТС.

Различают два вида коммутации:

По минусу питания схемы;

По плюсу питания схемы.

Комбинацией этих двух методов можно реализовать любой способ электрического (не механического) подключения ТА к линии. Рассмотрим их в отдельности.

На рис. 11 приведена простая схема ключа с использованием микросхемы 1014КТ1А по минусу питания.

В соответствии с параметрами микросхемы КР1014КТ1А, В, описанными в , схема обеспечивает надежную работу при максимальном токе коммутации до 110мА и импульсном напряжении до 200 В. Управляющее напряжение не должно превышать 3,5...5 В.

Достоинства схемы:

Высокое качество коммутации (сопротивление в открытом состоянии не превышает 10 Ом);

Простота схемного решения;

Совместимость с КМОП-логикой;

Сверхнизкое потребление по управляющему входу (устойчиво

переключается через сопротивление до 10 МОм). Недостатки схемы:

Невозможность простым схемным решением реализовать контроль за состоянием телефона (снята трубка или положена), что ограничивает применение этого способа коммутации.

На рис. 12 приведена схема коммутации по плюсу питания. Достоинством такой схемы является возможность увязки в схеме с общим корпусом различных узлов телефонной приставки: узла подъема трубки (контроля телефона), узлов коммутации, схемы обработки и пр. достаточно простым способом. Коммутационные свойства этой схемы так же высоки, так как в основе лежит токовый ключ 1014КТ1А.

Принцип работы заключается в следующем. При подаче на базу VT1 логической единицы напряжение на управляющий вход DA1 не подается. Емкость С1 разряжена, ключ DA1 закрыт, мост VD6...VD9 также закрыт, и телефонный аппарат изолирован от линии по плюсу.

При подаче на базу VT1 логического нуля напряжение телефонной линии за счет падения на VD4, VD5 и частично на диодах моста VD6...VD9 через резисторы R1, R2 поступает на управляющий вход 1 DA1. Цепочка VD2, С1 обеспечивает стабильность включения ключа при импульсных помехах на линии (например при наличии импульсов набора номера). Телефон включается по плюсу в линию.

Еще один способ коммутации ТА по плюсу питания схемы рассматривается в . На рис. 13 приведена схема ключа коммутации

с использованием оптопары АОТ101А. Диодно-транзисторный оптрон позволяет осуществить гальваническую развязку цепи управления и ключа коммутации, в качестве которого выступает транзистор КТ972А. Транзистор открывается напряжением с линии через R1, обеспечивая коммутацию ТА на линию. Следует отметить, что сопротивление в открытом состоянии у транзистора КТ972А несколько выше, чем у микросхемы 1014КТ1А, кроме этого, при наличии импульсов в телефонной линии открытое состояние транзистора поддерживается лишь за счет переходных процессов в полупроводнике. Это может несколько ухудшить соответствие схемы коммутации нормам ГОСТ . Для коммутации телефона либо разговорного ключа ТА, в описаны схемы импульсных ключей на составных транзисторах, приведенные на рис. 14, 15, 16.

Эти схемы применяются в телефонных аппаратах импортного и отечественного производства для формирования импульсов набора номера, но с таким же успехом их можно применять в любых телефонных приставках в качестве ключей коммутации по плюсу схемы.