Je nach Schaltung ist es manchmal notwendig, einen Audio-Eingang zu schalten. Es bieten sich hier Relais an, welche jedoch vergleichsweise teuer sind, viel Ruhestrom verbrauchen und nur eine begrenzte Lebensdauer haben. Eine gute Alternative ist hier ein Schalter mit Dioden. In diesem Beitrag sehen wir uns solch einen Schalter an, besonders im Hinblick auf Audioschaltungen.
Schaltung mit einer Diode:
Kern der Schaltung ist eine Diode, welche zwischen zwei DC-Block Kondensatoren C1 und C2 zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal liegt. Der Arbeitspunkt der Diode ist über die Widerstände R1 und R2 eingestellt. Zusätzlich wurden zwei Induktivitäten L1 und L2 in die Arbeitspunkteinstellung verbaut. Diese sollen harte Stromsprünge dämpfen und das Steuersignal von der Audioleitung entkoppeln.
Arbeitspunkteinstellung
Die Diode soll beim Anliegen einer positiven Steuerspannung leiten. Hierzu muss über die Spannungsteiler die Anode auf eine positive Spannung gelegt werden: hier 2,5V (bei 5V Steuerspannung), die Kathode entsprechend der Diodenspannung geringer. Also 2,5V-0,7V = 1,8V.
Der Wert 2,5V habe ich willkürlich gewählt, sodass eben genug „Luft“ zum Aussteuern ist.
Simulation
Die Schaltung wurde mit einem 1 V Sinus Signal als Eingang und einer Steuerspannung von 5V simuliert.
Im eingeschalteten Zustand wird das Eingangssignal fast identisch übertragen. Trotz eines leichten Phasenversatzes und einer leichten Dämpfung ist dies für den Einsatz als Audioschalter unbedenklich.
Im ausgeschalteten Zustand wird ein Teil des Eingangssignals übertragen, nämlich ein Teil der positiven Halbwelle, welcher über der Diodenspannung 0,7V liegt. Dies ist für die Verwendung als Audioschalter problematisch, weil auch im ausgeschalteten Zustand Teile des Signals durchkommen.
Um dieses Problem zu lösen, gibt es zwei Ansätze: zum einen, indem man die Steuerspannung im Aus-Zustand auf eine negative Spannung legt, welche größer ist als die maximale Eingangsspannung. Da meist für Operationsverstärker eine Positive und eine Negative Spannung verwendet wird, ist dies realisierbar.
Zum anderen lassen sich auch mehrere Dioden in Serie schalten.
Realisierung mit negativer Versorgungsspannung
Zum Erzeugen der negativen Steuerspannung kommt ein Operationsverstärker, als Komperator geschaltet, zum Einsatz. Der negative Eingang liegt auf der halben Versorgungsspannung. Dieses Potenzial wird über R3 und R4 eingestellt. Ist unser Steuersignal größer als 2,5V so ist der Ausgang des Operationsverstärker bei +5V. Ist das Steuersignal kleiner als 2,5V also “Low” so ist die Ausgangsspannung des OPV bei -5V. Der Ausgang ist über Spulen und Widerstände wie oben beschrieben mit der Diode verbunden.
Die Simulation zeigt, dass bei der Ansteuerung mit einem Operationsverstärker kein Signal im Aus-Zustand durch den Schalter “durch” kommt.
Schalter mit mehren Dioden:
Da ein zusätzlicher Operationsverstärker in mehr Aufwand und Stromverbrauch resultiert, gibt es auch die Möglichkeit mehrere Dioden in Serie zu schalten, und so die kritische Schwellspannung zu erhöhen. In diesem Fall werden drei Dioden verbaut und so alle Signale mit einer Amplitude kleiner 3 * 0,7V = 2,1V blockiert.
Lediglich der Arbeitspunkt muss über den unteren Widerstand angepasst werden. In diesem Beispiel wird R2 von 18kOhm auf 11kOhm reduziert.
Fazit:
Audiosignale mit einer Diode ist möglich und eine günstigere und gute Alternative zu Relais. Nachteil ist jedoch, dass der Eingang nicht mehr komplett von unserer Schaltung getrennt ist und große Signale und ESD-Entladungen durchkommen können.