Электроника:Полупроводники/Диоды и выпрямители/Схемы ограничителей напряжения

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Схемы ограничителей напряжения[1]

Схема, которая сглаживает волновые пики, известна как ограничитель. Отрицательный ограничитель показан на рисунке ниже.

Анализ контура-ограничителя

Эта принципиальная схема создана с помощью программы рисования схем XCircuit. Сама же XCircuit сгенерировала и код для SPICE (разве что вторая и предпоследняя строки добавлены с помощью текстового редактора).

Рис. 1. Ограничитель: зафиксирован отрицательный пик при -0,7 В.
* SPICE 03437.eps
* A K НазваниеМодели
D1 0 2 diode
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN (0 5 1k)
.model diode d
.tran .05m 3m
.end

Положительный полупериод

Во время положительного полупериода на входе с пиком 5 В диод имеет обратное включение (диод не проводит ток, как будто диода и не было). Положительный полупериод не изменяется (см. синий график выхода V(2) на рисунке 2 ниже). Поскольку положительные пики выходного сигнала фактически накладываются на входную синусоидальную волну V(1), синусоида входного сигнала искусственно сдвинута вверх, чтобы было видно обе кривые. В Nutmeg (модуле SPICE для отображения графиков), этот манёвр выполняется командой «plot v(1) + 1».

Рис. 2. V(1) + 1 – это на самом деле просто V(1), синусоидальная волна 10 В (расстояние от пика до пика), смещённая на 1 В для удобства восприятия. Выходной сигнал V(2) ограничен диодом D1 до -0,7 В.
Рис. 2. V(1) + 1 – это на самом деле просто V(1), синусоидальная волна 10 В (расстояние от пика до пика), смещённая на 1 В для удобства восприятия. Выходной сигнал V(2) ограничен диодом D1 до -0,7 В.

Отрицательный полупериод

А вот во время отрицательного полупериода входного синусоидального сигнала, показанного на рисунке выше, диод включён в прямом направлении, то есть в эти моменты он проводящий. Отрицательный полупериод синусоиды закорочен. Отрицательный полупериод V(2) ограничен 0 В (в случае «идеального» диода). Волна ограничена пиковым значением -0,7 В из-за прямого падения напряжения на кремниевом диоде. При моделировании программа SPICE по умолчанию ставит 0,7 В (если в параметрах модели не указать иное). Германиевые диоды или диоды Шоттки ужимают сигнал при более низких напряжениях.

Если приглядеться к отрицательному ограниченному пику (рисунок 2 выше), то можно заметить, что он следует за входом в течение небольшого периода времени, пока синусоидальная волна приближается к -0,7 В. Ограничение включается только после того, как входная синусоида превышает -0,7 В. Однако диод не проводит (в основном) в течении полного полупериода.

Симметричный ограничитель

Добавим антипараллельно (т.е. параллельно, но противоположно направленно) диод к уже существующему. Получим так называемый симметричный ограничитель:

Рис. 3. Симметричный ограничитель: антипараллельные диоды ограничивают как положительный, так и отрицательный пики, оставляя на выходе ± 0,7 В.
Рис. 3. Симметричный ограничитель: антипараллельные диоды ограничивают как положительный, так и отрицательный пики, оставляя на выходе ± 0,7 В.
* SPICE 03438.eps
D1 0 2 diode
D2 2 0 diode
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN (0 5 1k)
.model diode d
.tran 0,05m 3m
.end

Диод D1, как и до этого, фиксирует отрицательный пик на отметке -0,7 В. Дополнительный диод D2 проводит только положительные полупериоды синусоидальной волны, поскольку она превышает 0,7 В, что приводит к прямому падению напряжения на диоде. Остальная часть напряжения падает на последовательном резисторе. Таким образом, оба пика входной синусоиды ограничены (показано на рисунке 4 ниже). Номера узлов см. на рисунке 3 выше.

Рис. 4. Диод D1 фиксирует при -0,7 В, поскольку он проводит во время отрицательных пиков. D2 проводит для положительных пиков, ограничивая до 0,7 В.
Рис. 4. Диод D1 фиксирует при -0,7 В, поскольку он проводит во время отрицательных пиков. D2 проводит для положительных пиков, ограничивая до 0,7 В.

Общий вид диодного ограничителя

Наиболее общий вид диодного ограничителя показан на рисунке 5 ниже. Для «идеального» диода ограничение происходит на уровне ограничительного напряжения V1 и V2. Однако источники напряжения настроены с учётом прямого падения напряжения на 0,7 В для реальных кремниевых диодов. D1 фиксируется при 1,3 В + 0,7 В = 2,0 В, когда диод начинает проводить. D2 ужимает до -2,3 В -0,7 В = -3,0 В, когда проводит D2.

Рис. 5. D1 ограничивает входной синусоидальный сигнал на уровне 2 В. D2 ужимает до -3 В.
Рис. 5. D1 ограничивает входной синусоидальный сигнал на уровне 2 В. D2 ужимает до -3 В.
* SPICE 03439.eps
V1 3 0 1,3
V2 4 0 -2,3
D1 2 3 diode
D2 4 2 diode
R1 2 1 1,0k
V3 1 0 SIN (0 5 1k)
.model diode d
.tran 0,05m 3m
.end

Ограничитель на рисунке выше обычно не должен обрезать оба уровня (и сверху и снизу). Чтобы отсекать только на одном уровне (где один диод и один источник напряжения), другие диод и источник напряжения следует удалить из схемы.

Список соединений представлен на рисунке 5 выше. Осциллограмма показывает ограничение V(1) на выходе V(2).

Рис. 6. Диод D1 фиксирует синусоиду на уровне 2 В. D2 ужимает до -3 В.
Рис. 6. Диод D1 фиксирует синусоиду на уровне 2 В. D2 ужимает до -3 В.

Стабилитрон-ограничитель

В главе про стабилитроны приведена схема стабилитрона с ограничителем. Стабилитрон одновременно заменяет как диод, так и источник постоянного напряжения.

Практическое применение схем-ограничителей

Пример практического применения ограничителя – предотвращение перегрузки на радиопередатчике при усиленном речевом сигнале (показано на рисунке 7 ниже). Избыточный входной сигнал на передатчике генерирует ложные радиосигналы, которые создают помехи на других радиостанциях. Ограничители защищают от подобных эффектов.

Рис. 7. Ограничитель предотвращает перегрузку радиопередатчика от пиковых значений голосовых сигналов.
Рис. 7. Ограничитель предотвращает перегрузку радиопередатчика от пиковых значений голосовых сигналов.

Синусоидальную волну можно преобразовать в прямоугольную, если подвергнуть перегрузке ограничитель. Ещё одно применение ограничителя – защита открытых входов интегральных схем (ИС). Вход ИС подключён к паре диодов, как в узле 2 на рисунке 5 выше. Источники напряжения заменены на шины питания микросхемы. Например, CMOS-микросхемы используют 0 В и +5 В. Аналоговые усилители могут использовать ± 12 В для источников V1 и V2.

Итог

  • Резистор и диод, управляемые источником переменного напряжения, ограничивают сигнал, проходящий через диод.
  • Пара встречно-параллельных кремниевых диодов симметрично ограничивают напряжение до ± 0,7 В.
  • Заземленный вывод ограничивающего диода (или диодов, если их более одного в схеме-ограничителе) можно отсоединить и подключить к источнику постоянного напряжения, что приведёт к ограничению до произвольного уровня.
  • Ограничитель может служить как защитный механизм, предотвращая превышение уровня сигнала в пределах, устанавливаемых ограничителем.

См.также

Внешние ссылки