Схемы ограничителей напряжения

Добавлено 6 марта 2017 в 20:05

Схема, которая удаляет пики из формы сигнала, известна как ограничитель. Отрицательный ограничитель показан на рисунке ниже.

Ограничитель: ограничивает отрицательные пики до –0,7В

*SPICE 03437.eps
*  A K ModelName
D1 0 2 diode
R1 2 1 1.0k
V1 1 0 SIN(0 5 1k)
.model diode d
.tran .05m 3m
.end

Во время положительного полупериода на входе с пиком 5В диод смещен в обратном направлении и не проводит ток. Это как если бы диода там не было вовсе. Положительный полупериод остается неизмененным, переходя на выход V(2) (рисунок ниже). Поскольку выходные положительные пики фактически перекрывают входную синусоиду V(1), то для ясности график входного сигнала на рисунке был сдвинут вверх. Для этого в SPICE была использована команда "plot v(1)+1)".

V(1)+1 – это на самом деле V(1), синусоида 10В_{пик-пик}, смещенная на 1В для ясности отображения. Выход V(2) ограничен диодом D1 на уровне –0,7В.

В течение отрицательного полупериода входной синусоиды (рисунок выше) диод смещен в прямом направлении и проводит ток. Отрицательная полуволна синусоиды укорачивается. Отрицательный полупериод V(2) будет ограничен напряжением 0В при идеальном диоде. Сигнал обрезается на уровне –0,7В из-за прямого падения напряжения кремниевого диода. Прямое напряжение SPICE модели диода равно 0,7В, если в параметрах объявления модели не указано иное. Германиевые диоды и диоды Шоттки ограничивают сигнал при более низких напряжениях.

Более тщательное изучение отрицательного обрезанного пика (рисунок выше) показывает, что в течение небольшого периода времени, пока сигнал входной синусоиды приближается к уровню –0,7В, на выход сигнал подается неизмененным. Отсечка приводится в действие, только когда уровень входной синусоиды превысит –0,7В. Диод проводит ток не во время всего полупериода, хотя и в большей его части.

Добавление к существующему диоду еще одного диода, подключенного параллельно, но в обратном направлении, дает симметричный ограничитель (рисунок ниже).

Симметричный ограничитель: Параллельно включенные и противоположно направленные диоды отсекают и положительные и отрицательные пики, оставляя на выходе ±0,7В

*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 раньше, отсекает отрицательный пик на уровне –0,7В. Дополнительный диод D2 проводит ток, когда положительная полуволна синусоиды превышает 0,7В, прямое падение напряжение диода. Оставшаяся часть напряжения падает на последовательно включенном резисторе. Таким образом, отсекаются оба пика входной синусоиды, как показано на рисунке ниже. Список соединений приведен выше.

Диод D1 отсекает сигнал на уровне –0,7В, так как он проводит ток во время отрицательных пиков. D2 проводит ток во время положительных пиков, отсекая сигнал на уровне 0,7В.

Наиболее общий вид диодного ограничителя показан на рисунке ниже. Для идеального диода ограничение происходит на уровне напряжения отсечки, V1 и V2. Однако, источники напряжения скорректированы с учетом 0,7В прямого падения напряжения реальных кремниевых диодов. D1 ограничивает сигнал на уровне 1,3В + 0,7В = 2,0В, когда диод начинает проводить ток. D2 ограничивает сигнал на уровне –2,3В – 0,7В = –3,0В, когда начинает проводить ток.

D1 отсекает входную синусоиду на уровне 2В. D2 отсекает на уровне –3В.

*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 не должен отсекать уровни обеих полярностей. Чтобы ограничивать уровень только одной полярности с одним диодом и одним источником напряжения, необходимо удалить другие диод и источник.

Список соединений приведен выше.

Диаграмма на рисунке ниже показывает ограничение напряжения V(1) на выходе V(2).

Существует также ограничитель на базе стабилитрона, который описывается далее в статье "Стабилитроны". Стабилитрон заменяет собой и диод, и источник постоянного напряжения.

Практическое применение ограничителей заключается в предотвращении перегрузки входа радиопередатчика усиленным речевым сигналом (рисунок ниже). Прегрузка входа передатчика формирует искажения радиосигналов, которые вызывают помехи приему других станций или делают невозможным качественный прием сигнала текущей станции. Ограничитель в данном случае является мерой защиты.

Ограничитель предотвращает перегрузку передатчика по входу пиками в речевом сигнале

Синусоида может быть преобразована в прямоугольный сигнал путем перегрузки ограничителя. Другим применением ограничителей является защита открытых входов интегральных микросхем. Вход микросхемы соединяется с парой диодов, как показано на втором рисунке в данной статье. Источники напряжения заменяются на шины питания микросхемы. Например, CMOS микросхемы используют 0В и +5В. Аналоговые усилители могут использовать ±12В в качестве источников V1 и V2.

Подведем итоги

Резистор и диод, подключенные к источнику переменного напряжения, ограничивают по амплитуде сигнал, снимаемый с диода.
Пара включенных параллельно и направленных в противоположные стороны кремниевых диодов ограничивает уровень сигнала симметрично на уровнях ±0,7В.
Вывод ограничивающего диода(-ов), подключенный к корпусу, может быть отсоединен и подключен к источнику постоянного напряжения, чтобы ограничивать входной сигнал на произвольном уровне.
Ограничитель может служить в качестве меры защиты, предотвращающей превышение уровня сигнала выше заданных пределов.

Подведем итоги

Теги