Diode Clipper, cunoscut ca limitator cu diode, este un circuit de formare undă care ia o formă de undă de intrare și limitează sau taie jumătatea superioară, jumătatea inferioară sau ambele jumătăți împreună.

Această tăiere a semnalului de intrare produce o formă de undă la ieșire care seamănă cu o versiune aplatizată a intrării. De exemplu, redresorul monoalternanță este un circuit de tăiere, deoarece toate tensiunile sub zero sunt eliminate.

Dar circuitele de limitare cu diode pot fi folosite la varietate de aplicații, pentru a modifica o formă de undă de intrare folosind diode de semnal și diode Schottky sau pentru a asigura o protecție la supratensiune folosind diode zener pentru a se asigura că tensiunea de ieșire nu depășește niciodată un anumit nivel de protecție a circuitului la vârfurile de înaltă tensiune. Deci circuitele de tăiere cu diode pot fi utilizate în aplicații de limitare a tensiunii.

Am văzut că, atunci când o diodă este polarizată direct, permite curentului să treacă prin ea fixând tensiunea. Când dioda este polarizată invers, nu curge curent prin ea și tensiunea pe terminalele sale nu este afectată, iar aceasta este operația de bază a circuitului de tăiere cu diode.

Deși tensiunea de intrare pentru circuitele de tăiere cu diode poate avea orice formă de undă, vom presupune aici că tensiunea de intrare este sinusoidală. Considerați circuitele de mai jos.

Circuite cu diode de tăiere pozitivă

În acest circuit de tăiere cu diode, dioda este polarizată direct (anodul mai pozitiv decât catodul) în timpul alternanței pozitive al formei de undă sinusoidale de intrare. Pentru ca dioda să devină polarizată direct, aceasta trebuie să aibă amplitudinea tensiunii de intrare mai mare de +0,7 volți (0,3 volți pentru o diodă cu germaniu).

Când se întâmplă acest lucru, diodele încep să conducă și mențin tensiunea pe ele la o valoare constantă de 0,7 V până când forma de undă sinusoidală scade sub această valoare. Astfel tensiunea de ieșire care este preluată de pe diodă nu poate depăși niciodată 0,7 volți în timpul alternanței pozitive.

În timpul alternanței negative, dioda este polarizată invers (catodul mai pozitiv decât anodul) blocând curentul prin ea și, deci, nu are nici un efect asupra alternanței negative a tensiunii sinusoidale care trece la sarcină neschimbată. Astfel, dioda limitează alternanța pozitivă a formei de undă de intrare și este cunoscută ca un circuit de tăiere pozitivă.

Circuite cu diode de tăiere negativă

Aici inversul este adevărat. Dioda este polarizată direct în timpul alternanței negative de semnal al formei de undă sinusoidale și limitează sau o fixează la -0,7 volți, permițând în același timp alternanței pozitive să treacă neschimbată atunci când este polarizată invers. Deoarece dioda limitează alternanța negativă a tensiunii de intrare, se numește un circuit de tăiere negativă.

Tăierea ambelor alternanțe

Dacă am conectat două diode în paralel invers așa cum este arătat, atunci ambele alternanțe pozitivă și negativă ar fi tăiate, deoarece dioda D1 taie alternanța pozitivă a formei de undă sinusoidale de intrare, în timp ce dioda D2 taie alternanța negativă. Deci, circuitele de tăiere cu diode pot fi folosite pentru a tăia alternanța pozitivă, cea negativă sau ambele.

Pentru diodele ideale, forma de undă de ieșire de mai sus ar fi zero. Dar, datorită căderii de tensiune a polarizării directe pe diode, punctul de tăiere efectiv are loc la +0,7 volți și, respectiv, -0,7 volți. Dar putem crește pragul de ± 0,7 V la orice valoare dorim până la valoarea maximă (VPEAK) a formei de undă sinusoidale fie prin conectarea mai multor diode în serie, creând multipli de 0,7 volți, fie prin adăugarea unei tensiuni de polarizare la diode.

Circuite de tăiere cu diode polarizate

Pentru a produce circuite de tăiere cu diode pentru forme de undă de tensiune la diferite nivele, se adaugă în serie cu dioda o tensiune de polarizare VBIAS pentru a produce un dispozitiv de tăiere combinat așa cum se arată. Tensiunea pe combinația serie trebuie să fie mai mare decât VBIAS + 0,7 V înainte ca dioda să devină suficient de polarizată direct pentru a conduce. De exemplu, dacă nivelul VBIAS este setat la 4,0 volți, atunci tensiunea sinusoidală la terminalul anod al diodei trebuie să fie mai mare de 4,0 + 0,7 = 4,7 volți, pentru a deveni polarizată direct. Orice nivele de tensiune la anod deasupra acestui punct de polarizare sunt decupate.

Tăiere pozitivă cu dioda polarizată

De asemenea, prin inversarea diodei și a tensiunii de polarizare a bateriei, atunci când o diodă conduce alternanța negativă a formei de undă de ieșire este menținută la un nivel -VBIAS - 0,7 V așa cum se arată mai jos.

Tăiere negativă cu dioda polarizată

Un nivel variabil de limitare cu diode sau de tăiere cu diode poate fi realizat prin modificarea tensiunii de polarizare a diodelor. Dacă se vor tăia ambele alternanțe pozitivă și negativă, se vor folosi două diode de tăiere polarizate. Dar atât pentru tăierea pozitivă cât și negativă, tensiunea de polarizare nu trebuie să fie aceeași. Tensiunea de polarizare pozitivă ar putea fi la un nivel, de exemplu 4 volți, și tensiunea negativă la o altă tensiune, de exemplu 6 volți așa cum se arată.

Diode de tăiere cu diferite niveluri de polarizare

Când tensiunea alternanței atinge +4,7 V, dioda D1 conduce și limitează forma de undă la +4,7 V. Dioda D2 nu conduce până când tensiunea nu atinge -6,7 V. Prin urmare, toate tensiunile pozitive de peste +4,7 V și tensiunile negative mai mici de -6,7 V sunt tăiate automat.

Avantajul circuitelor de tăiere cu diode polarizate este acela că împiedică semnalul de ieșire să depășească limitele prestabilite de tensiune pentru ambele alternanțe ale formei de undă de intrare, care ar putea fi o intrare de la un senzor zgomotos sau de la șinele de alimentare pozitivă și negativă ale unei surse de alimentare.

Dacă nivelele de tăiere a diodelor sunt prea mici sau forma de undă de intrare este prea mare, atunci eliminarea ambelor vârfuri ale formei de undă se poate încheia cu o formă de undă cu formă dreptunghiulară.

Circuite de tăiere cu diodă Zener

Folosirea tensiunii de polarizare înseamnă că poate fi controlată cu precizie cantitatea de undă de tensiune care este decupată. Dar unul dintre principalele dezavantaje ale utilizării circuitelor de tăiere cu diode polarizate cu tensiune este că au nevoie de o sursă suplimentară de baterie emf care poate, sau nu, să fie o problemă.

O cale ușoară de a crea circuite de tăiere cu diode polarizate fără a avea nevoie de o sursă suplimentară de emf este de a folosi diode Zener .

După cum știm, dioda zener este un alt tip de diodă care a fost special fabricată pentru a funcționa în regiunea sa de străpungere polarizată invers și ca atare poate fi utilizată pentru reglarea tensiunii sau pentru aplicațiile de tăiere cu diode zener. În regiunea directă, zenerul acționează la fel ca o diodă obișnuită cu siliciu cu o cădere de tensiune directă de 0,7 V (700 mV) atunci când conduce, la fel ca mai sus.

Dar, în regiunea de polarizare inversă, tensiunea este blocată până la atingerea tensiunii de străpungere a diodelor zener. În acest moment, curentul invers prin zener crește brusc, dar tensiunea zener VZ pe dispozitiv rămâne constantă, chiar dacă curentul zener IZ variază.

Atunci, putem pune în aplicare acest efect zener folosind pentru a tăia o formă de undă așa cum este arătat.

Tăiere cu dioda Zener

Dioda zener acționează ca un circuit de tăiere cu diodă polarizată, tensiunea de polarizare fiind egală cu tensiunea de străpungere a zener-ului. În acest circuit, în timpul alternanței pozitive a formei de undă, dioda zener este polarizată invers, astfel încât forma de undă este tăiată la tensiunea zener VZD1. În timpul alternanței negative, zenerul acționează ca o diodă normală, cu valoarea obișnuită a joncțiunii de 0,7 V.

Putem dezvolta această idee mai departe prin folosirea caracteristicilor de tensiune inversă a diodelor zener pentru a limita ambele alternanțe ale unei forme de undă folosind diode zener conectate spate-în-spate serie așa cum se arată.

Limitare bialternanță cu diode Zener

Forma de undă de ieșire de la circuitele de tăiere a undei cu diode Zener seamănă cu cea a circuitului de tăiere cu diode cu tensiune de polarizare. Forma de undă de ieșire va fi tăiată la tensiunea zener plus căderea de tensiune de 0,7 V a celeilalte diode. De exemplu, alternanța pozitivă va fi tăiată la suma diodei zener ZD1 plus 0,7 V de la ZD2 și invers pentru alternanța negativă.

Diodele Zener sunt fabricate cu o gamă largă de tensiuni și pot fi utilizate pentru a oferi diferite referințe de tensiune pe fiecare alternanță, la fel ca mai sus. Diodele Zener sunt disponibile cu tensiuni de străpungere zener VZ variind de la 2,4 la 33 de volți, cu o toleranță tipică de 1 sau 5%. Rețineți că odată ce conduce în regiunea de străpungere inversă, curentul total va curge prin dioda zener, astfel încât trebuie să se aleagă un rezistor R1 de limitare a curentului adecvat.

Rezumat Diode de tăiere

Pe lângă faptul că sunt folosite ca redresoare, diodele pot fi, de asemenea, utilizate pentru a tăia partea de sus, cea de jos sau ambele ale formei de undă la un anumit nivel DC și să le transmită la ieșire fără distorsiuni. În exemplele de mai sus am presupus că forma de undă este sinusoidală, dar în teorie poate fi utilizată orice formă de undă de intrare.

Circuitele de tăiere cu diode sunt utilizate pentru a elimina zgomotul de amplitudine sau vârfurile de tensiune, reglarea tensiunii sau pentru a produce noi forme de undă de la un semnal existent, cum ar fi netezirea vârfurilor unei forme de undă sinusoidale pentru a obține o formă de undă dreptunghiulară așa cum se vede mai sus.

Cea mai obișnuită aplicare a unei "diode de tăiere" este ca diodă supresoare conectată în paralel pe o sarcină inductivă pentru a proteja tranzistorul de comutare de tranzițiile (fronturi) tensiunii inverse.