PIN-Dioden als HF-Leistungsschalter
PIN-Dioden mit ausreichend hoher Verlustleistung können im Frequenzbereich von KW bis UHF als Ersatz für elektromechanische Antennenrelais eingesetzt werden.
Vorteile der elektronischen Umschaltung
In jedem Sende-Empfänger wird ein Leistungs-Schalter benötigt, der die Antenne beim Senden an den Senderausgang legt, dabei gleichzeitig den Empfängereingang schützt und sie bei Empfang mit diesem Eingang verbindet. üblicherweise werden dazu meist entsprechend dimensionierte Relais eingesetzt, wobei sich bereits mit einem einfachen Umschalter die gewünschten Funktionen ausführen lassen.
Probleme entstehen bei der Verwendung von Relais jedoch bei all den Betriebsarten, die eine sehr schnelle Antennenumschaltung erfordern. Das kann z. B. bei CW der Fall sein, wenn man zwischen den eigenen CW-Zeichen die eventuellen Signale der Gegenstation hören möchte, oder bei zeitkritischen digitalen übertragungsverfahren wie AMTOR. Wesentlich geringer sind die Zeitprobleme dagegen beim Sprechfunk.
Für alle Betriebsarten gilt jedoch, daß Relais als elektromechanische Bauelemente grundsätzlich nach einiger Zeit Verschleißerscheinungen wie z.B. Kontaktabbrand aufweisen oder auch durch überschläge beschädigt werden, wenn das SWR am Ausgang zu groß ist.
Als Ersatz für elektromechanische Schalter bieten sich PIN-Leistungsdioden zum Aufbau elektronischer Ausführungen an. Sie haben bei korrekter Bemessung der Schaltung einen geringen Durchgangsverlust, sorgen gleichzeitig für eine in der Praxis ausreichend hohe Sperrdämpfung und haben vor allem extrem kurze Umschaltzeiten. Verschleißerscheinungen im herkömmlichen Sinne können nicht auftreten, es muß lediglich, je nach Schaltleistung, für eine ausreichende Kühlung gesorgt werden, da dies der kritische Punkt bei allen Halbleiterbauelementen ist: übermäßige Erwärmung reduziert grundsätzlich die Lebensdauer. Ebenso dürfen natürlich bestimmte Spannungspegel nicht überschritten werden.
Wie arbeitet eine PIN-Diode?
PIN-Dioden sind schon seit einer Reihe von Jahren auch im Amateurfunk bekannt und im Einsatz. Allerdings werden sie überwiegend bei kleinen Signalen als steuerbare HF-Dämpfungsglieder verwendet. Der ohmsche Widerstand einer PIN-Diode wird nämlich weitgehendst durch ihren Steuer-Gleichstrom bestimmt. Ein weiterer Vorteil der Diode, der sie für Schaltanwendungen so hervorragend geeignet macht, besteht darin, daß man mit relativ kleinen Strömen große HF-Leistungen schalten kann.
Im Prinzip besteht der Chip einer Leistungs-PIN-Diode aus drei Schichten mit P- und N-dotiertem Silizium sowie einer dazwischenliegenden sogenannten "Intrinsic"-Schicht aus praktisch reinem Silizium; daher die Abkürzung "P-I-N". Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung.
Bild 1: Schematische Darstellung des Chips einer PIN-Leistungsschaltdiode. Die Dicke der Intrinsic-Schicht W ist maßgebend für die unterste nutzbare Frequenz.
Ohne hier näher auf die Halbleiter-Physik der PIN-Diode einzugehen, sei nur gesagt, daß sie sich bei Gleichspannung und sehr niedrigen Frequenzen zunächst wie eine normale PIN-Diode verhält. Der jeweilige dynamische Gleichspannungs-Widerstand der Diode wird dabei durch die entsprechenden Punkte der ID/UD-Kennlinie bestimmt.
Diese Kennlinie verliert jedoch oberhalb einer bestimmten Frequenz, bei der die Periodendauer der anliegenden Wechselspannung kürzer als die Durchlaufzeit der Ladungsträger durch die I-Region des Dioden-Chips wird, ihre Gültigkeit. Die Frequenz, bei der dieser Effekt auftritt, wird als Transit-Frequenz fr bezeichnet und ist die unterste Frequenz, ab der die Diode als steuerbares Dämpfungsglied bzw. als verlustfreier Schalter eingesetzt werden kann. Diese Frequenz ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke der Intrinsic-Schicht und liegt bei "dicken" Dioden bei ca. 20 kHz, bei "dünnen" in der Größenordnung 1 MHz.
Für den Betrieb der Diode als Schalter sind vier Parameter von Bedeutung:
- die Umschaltgeschwindigkeit vom gesperrten in den leitenden Zustand
- der ohmsche Widerstand im leitenden Zustand; zusammen mit dem durchfließenden Strom bestimmt der die Höhe der maximal entstehenden Verlustleistung
- der Sperrwiderstand
- die Signalverzerrungen; sie sollten möglichst gering bleiben
Typische Umschaltzeiten von PIN-Dioden der Serie UM-4000 (Unitrode) von 100 V Sperrspannung auf 100 mA Durchlaßstrom liegen beispielsweise bei 1,5 µs, jedoch gibt es auch noch deutlich schnellere Typen für kleine Spannungen und Ströme. Sie benötigen nur 0,1 µs.
Die Durchlaßdämpfung sowie die Sperrdämpfung hängen sehr stark von der Schaltauslegung, der Betriebsfrequenz, dem Steuerstrom usw. ab, jedoch lassen sich bei geschickter Dimensionierung auch ohne übermäßigen Bauteileaufwand bereits Einfügungsdämpfungen in der Größenordnung von nur 0,1 dB und Sperrdämpfungen von 40 bis 50 dB in Breitbandanordnungen erreichen.
Abgestimmte Schalteranordnungen
Für Schalter, die in einem Bereich von ca. ± 10-20% um eine mittlere Betriebsfrequenz arbeiten sollen (z.B. bei Anwendungen auf den UHF-Bändern), können abgestimmte elektronische Schalter eingesetzt werden, die mit nur zwei Dioden bereits akzeptable technische Daten erreichen. Eine Prinzipschaltung für einen derartigen Schalter zeigt Bild 2a, 2b. Er besteht aus zwei Dioden D1 und D2 in L-Anordnung, die in Serie zwischen Sender und Antenne bzw. parallel zum Empfängereingang liegen. Die Shunt-Diode ist über eine LambdaViertel-Leitung mit der Antenne verbunden. Als Leitungs-Ersatz kann auch ein LC-Netzwerk gemäß Bild 2b vorgesehen werden, das die Leitung simuliert. Diese Lösung empfiehlt sich vor allem für größere Wellenlängen.
Bild 2: Abgestimmte Antennen-Schalter mit Lambda/4Leitung (a) bzw. LC-Filter ' zur Nachbildung (b). Zur Steuerung dieser Schalter genügt eine einzige Spannung.
Die Schaltungselemente einer aus konzentrierten Bauelementen aufgebauten "Lambda-Viertel"-Leitung ergeben sich aus folgeden Beziehungen:
L = ZO/(2 × Pi × fO)
C= 1/(2 × Pi × fO × ZO)
Zur Abblockung der Gleichspannung von der Steuerleitung sind die beiden Kondensatoren DCB vorgesehen. Die Arbeitsweise der Schaltung ist relativ leicht zu verstehen:
Senden: Um die Antenne mit dem Senderausgang zu verbinden, wird eine positive Steuerspannung angelegt, durch die beide Dioden leitend und damit sehr niederohmig werden. Die parallel zum Empfängereingang angeordnete Diode wirkt dabei praktisch wie ein Kurzschluß, der durch die Lambda/ViertelLeitung als Leerlauf zur Antenne transformiert wird. Von der Antenne aus ist also praktisch kein Empfänger-Eingangswiderstand mehr feststellbar. Bei DiodenDurchlaßwiderständen in der Größenordnung von 1,0Ohm oder weniger beträgt die Einfügungsdämpfung der Diode D1 ca. 0,25 dB und die Sperrdämpfung 30 dB. Die Schaltung hat eine Bandbreite von ca. 10% der Betriebsfrequenz, für die die Leitung bemessen ist.
Empfang: Beide Dioden erhalten entweder keine oder über eine negative Vorspannung. Sie wirken sich damit nur als kleine Kapazitäten pallel zum Empfängereingang aus, bzw. isolieren den abgeschalteten Senderausgang durch einen hohen kapazitiven Widerstand vom Empfänger.
Die maximale Leistung PAV, die von den Dioden geschaltet werden kann, hängt von der Belastbarkeit der PIN-Diode (PD), dem Diodenwiderstand RS im Durchlaßbereich, der Lastimpedanz ZO sowie von der Höhe des Stehwellenverältnisses SWR ab. Sie ergibt sich aus der Beziehung:
PAV = PDZO/RS × ((SWR + 1)/2 × SWR)2Dioden des Typs UM-4901D und UM-4901C von Unitrode können, bei einem Gleichstrom von 1 A, in dieser Schaltung HF-Leistungen bis zu 2,5 kW schalten.
Breitband-Schalter
Mit zwei in Serie geschalteten Dioden lassen sich aber auch Breitbandschalter aufbauen, so wie es Bild 3 zeigt. Die höchste Frequenz, bis zu der dieser Schalter verwendet werden kann, hängt vor allem von der Kapazität der Diode D2 ab, da sie die maximal ereichbare Isolation zwischen Sender und Empfänger bestimmt.
Bild 3: Breitbandige Schalterausführung für Belastungen bis ca. 50 W
Beim Senden wird eine cileichspannung an die Diode D1, bei Empfang an D2 gelegt. Bei größeren H F-Leistungen über 50 W wird außerdem oft eine Sperrspannung an D2 erforderlich. Dies kann entweder eine negative Spannung am Anschluß 2 sein, oder aber man kann den Spannungsabfall ausnutzen, den der Strom durch die Diode D1 an R erzeugt und der auch durch die HF-Drossel fließt.
Die Betriebsbandbreite eines derartigen PIN-Dioden-Schalters hängt primär meist von den im Vorspannungsstromkreis liegenden Komponenten und nur sekundär von den PIN-Dioden ab. Besonders kritisch ist dabei die HF-Drossel, die einerseits mit Gleichströmen bis zu 1 A und mehr belastbar sein muß, andererseits aber genügend breitbandig ausgelegt werden muß und keine Resonanzstellen im Betriebsbereich aufweisen darf.
Die Wahl der Diode D1 hängt im wesentlichen von ihrer Leistungs-Belastbarkeit ab. Empfehlenswert sind zum Beispiel die Typen UM-4001 oder UM-4901 (Unitrode), deren Gehäuseformen gute thermische Eigenschaften aufweisen. Durch die Diode D2 fließt beim Senden kein HF-Strom, so daß sie ausschließlich unter dem Gesichtspunkt niedriger Kapazität und hoher Spannungsfestigkeit bei geringen Verzerrungen ausgewählt werden. Geeignet sind beispielsweise der Typ 1N-5767 oder die Dioden UM-6600B und UM-7300B.
Bei Verwendung einer UM-9401 für D1 und einer 1N-5767 für D2 ist die Isolation des Empfängers bei 50 MHz besser als 40 dB und selbst bei 500 MHz beträgt sie noch 20 dB. Die Dioden-Dämpfungen betragen 0,1 bzw. 0,2 dB bei Strömen von 50 mA. Die Schaltung ist für Leistungen bis zu 50 W geeignet.
Wesentlich höhere Leistungen bis zu 1 kW lassen sich mit der Schaltung nach Bild 4 im Frequenzbereich von 10 bis 100 MHz schalten. Dazu wird ein Steuerstrom von 1 A am Anschluß 1 und eine Sperrspannung von 500V am Anschluß 2 benötigt.
Bild 4: Breitband-Antennenschalter für Leistungen bis zu 1 kW
Bild 5: Typischer Durchlaßwiderstand der Dioden UM-9401, UM-9402 und UM-9415 in Abhängigkeit von dem auf der X-Achse aufgetragenen Diodenstrom.
Speziell für den Einsatz in Funkgeräten wurden die Dioden der Serien UM-9401, UM-9402 und UM-9415 (ebenfalls Unitrode) entwickelt. Während die Typen UM-9401 und UM-9402 bis ca. 100 W Senderleistung belastbar sind, verträgt der Typ UM-9415 maximal 1000 W HF. Das Diagramm in Bild 5 zeigt den typischen Verlauf des Durchlaßwiderstands der Dioden in Abhängigkeit vom Steuerstrom, während aus Bild 6 die Dioden-Kapazität bei verschiedenen Sperrspannungen in Abhängigkeit von der Frequenz ersichtlich wird. Aus den Diagrammen 7a und b schließlich geht die maximal mögliche Schaltleistung der beiden Diodentypen hervor.
Bild 6: Typische Kapazitäts.Charakteristik von PIN-Diden bei verschiedenen Sperrspannungen.
Bild 7: Diagramme zur Ermittlung der maximalen HF-Schaltleistung in Abhängigkeit vom Steuerstrom und der Anschlußtemperatur für die Dioden UM-9415 (a) und UM-9401, UM-9402 (b)