Электроника:Полупроводники/Диоды и выпрямители/Схемы ограничителей напряжения
Поддержать проект | Содержание | Теория | Практика | Проверка знаний | Рецепты | Резерв | Резерв | Резерв | Резерв | Резерв |
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).
* 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».
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:
* 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.

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.
* 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).
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.

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.