Диодные ограничители | HomeElectronics
Всем доброго времени суток! Продолжаю рассказывать про импульсные устройства и всё, что с ними связано. В предыдущей статье я рассказывал про RC и RL цепи и как они влияют на прохождение через них различных импульсов. Сегодняшняя статья про амплитудные ограничители и фиксаторы уровня сигнала. Что же это такое и зачем они нужны?
Амплитудные ограничители. Введение
Амплитудный ограничитель представляет собой электронное устройство, которое имеет пороги ограничения, за пределами которых входной сигнал практически не изменяется и остаётся равным пороговому значению. Исходя из этого, можно выделить три типа амплитудных ограничителей:
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
- ограничитель по максимуму или сверху. В данном случае сигнал на выходе устройства при превышении порогового значения тока или напряжения остаётся практически неизменным;
- ограничитель по минимуму или снизу. В таком устройстве устройства остаётся неизменным при значении входного сигнала меньше некоторого порогового значения;
- двухсторонний ограничитель. Такое устройство ограничивает сигнал и по максимуму и по минимуму входного сигнала.
Абсолютное большинство амплитудных ограничителей строят на основе ключевых свойств радиоэлектронных элементов, поэтому основным элементом ограничителей являются диоды или транзисторы в ключевом режиме работы. Диодные ограничители довольно простые по устройству, поэтому наиболее часто встречающиеся. Амплитудные ограничители на основе транзисторов несколько сложнее по устройству, но кроме амплитудного ограничения они позволяют усиливать сигнал, поэтому их ещё называют усилителями-ограничителями.
Различают также последовательные и параллельные ограничители. Эта их особенность зависит от способа включения ключевого элемента относительно нагрузки. Необходимо отметить, что последовательные ограничители включаются в работу, когда ключ разомкнут, а параллельные ограничители работают в режиме ограничения в случае замкнутого ключевого элемента.
Последовательные диодные ограничители
Как говорилось выше, ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние, которые ограничивают уровень сигнала сверху и снизу. Устройство последовательных диодных ограничителей довольно простое и оно основано на ключевом свойстве полупроводникового диода: в открытом состоянии диод пропускает электрический ток, а в закрытом – электрический ток через диод не проходит.
Последовательные диодные ограничители состоят из диода (VD1), источника смещения (ECM) и сопротивления нагрузки (R1). Различие состоит в том, как подключен диод: в ограничителе по минимуму диод включен в прямом направлении, а в ограничителе по максимуму – в обратном направлении.
Рассмотрим принцип работы ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения UВХ меньше, чем напряжение смещения ЕСМ, диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе UВЫХ будет соответствовать напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод откроется и через него начнёт проходить электрический ток, а напряжение на выходе будет соответствовать входному напряжению.
Схема и эпюры напряжения последовательного ограничителя по минимуму.
Принцип работы ограничителя по максимуму состоит в следующем. При значении входного напряжения UВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе UВЫХ будет равным напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит значение напряжения смещения, диод откроется и выходное напряжение будет равным входному напряжению.
Схема и эпюры напряжения последовательного ограничителя по максимуму.
Для ограничения сигналов сверху и снизу используются двухсторонние ограничители, которые чаще всего состоят из двух последовательно включённых односторонних ограничителей.
Схема двухстороннего последовательного ограничителя и эпюры напряжения.
Принцип работы двухстороннего ограничителя заключается в следующем. Напряжение источников смещения выбирают так, чтобы в отсутствии входного сигнала диод VD2 был открыт (ЕСМ1СМ2). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения ЕСМ2, а уровень ограничения по минимуму – напряжением в точке соединения диодов VD1 и VD2, которое соответствует напряжению отпирания диода VD1. Диод VD1 открывается, когда напряжение на входе превышает величину напряжения ЕСМ1. При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину ЕСМ2, то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению ЕСМ2.
Довольно часто вместо предыдущей схемы используется эквивалентная схема двухстороннего ограничителя с общим источником смещения.
Схема двухстороннего последовательного ограничителя с общим источником смещения.
Расчёт данной схемы аналогичен предыдущей, если пересчитать её параметры с помощью следующих соотношений:
[math]R_{1}= \frac {R’_{1} R’_{2}}{R’_{1}+R’_{2}}; R_{2}=\frac {R’_{3} R’_{4}}{R’_{3}+R’_{4}}[/math]
[math]E_{CM1}= \frac {E R’_{2}}{R’_{1}+R’_{2}}; E_{CM2}=\frac {E R’_{4}}{R’_{3}+R’_{4}}[/math]
Расчёт последовательных диодных ограничителей
Простейший последовательный диодной ограничитель представляет собой схему, состоящую из диода VD1, включённого последовательно с резистором R1. Данная схема в отсутствии дополнительного источника напряжения смещения Есм является ограничителем с нулевым уровнем ограничения. Фактически данная схема представляет собой диодный ключ, вследствие конечных значений сопротивления закрытого и открытого ключа, данную схему можно преобразовать в делитель напряжения на резисторах, а выходное напряжение тогда определится по следующей формуле:
[math]U_{BbIX}= \frac {U_{BX} * R1}{R_{VD} + R1}[/math]
- где UBX – входное напряжение,
- R1 – сопротивление нагрузки,
- RVD – сопротивление диода в прямом направлении.
В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится по следующей формуле:
[math]U_{BbIX}= \frac {U_{BX} * R1 + E_{CM}*R_{VD}}{R_{VD} + R1}[/math]
- где Есм – напряжение смещения.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 >> RVD, то есть чем больше сопротивление нагрузки R1 по отношению к сопротивлению диода в прямом направлении, тем больше напряжение на выходе соответствует входному напряжению.
Параллельные диодные ограничители
Так же как и последовательные диодные ограничители, параллельные диодные ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние. Основное отличие в принципе работы параллельных ограничителей от последовательных ограничителей состоит в том, что параллельные пропускают сигнал, когда диод находится в закрытом состоянии, и ограничивают, когда диод открыт.
Параллельные диодные ограничители в основном состоят из следующих элементов: источник напряжения смещения ЕСМ служит для установки уровня ограничения, сопротивление R1 создает вместе с диодом VD1 делитель напряжения и непосредственно диод VD1 выполняет роль ключевого элемента. Различие между ограничителями сверху и снизу, как уже говорилось выше, состоит в том, как подключен диод.
Рассмотрим схему и принцип работы параллельного ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения UВХ меньше, чем напряжение смещения ЕСМ, диод VD1 будет находиться в открытом состоянии, а так как R1 и сопротивление диода в открытом состоянии невелико, то всё напряжение будет оставаться на сопротивлении R1, а на выходе напряжение UВЫХ будет равно сумме напряжений ЕСМ и падению напряжения на диоде. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод закроется и так как сопротивление диода в закрытом состоянии очень велико, то на выходе ограничителя будет напряжение равное входному напряжению.
Схема и эпюры напряжения параллельного ограничителя по минимуму.
Принцип работы параллельного ограничителя по максимуму отличается от параллельного ограничителя по минимуму только направлением включения диода. Таким образом, при входном напряжении UВХ меньшем напряжении смещения ЕСМ диод будет закрыт и всё входное напряжение будет приложено к нагрузке. Как только входное напряжение превысит значение равное сумме напряжения смещения и напряжения падения на диоде, то диод откроется, и напряжение на выходе останется равным сумме напряжения смещения и напряжения падения на диоде.
Схема и эпюры напряжения параллельного ограничителя по максимуму.
Как говорилось выше, существуют также двухсторонние ограничители параллельного типа, которые представляют собой последовательно соединенные параллельные ограничители по минимуму и по максимуму. По принципу работы двухсторонние ограничители аналогичны односторонним ограничителям, но в этом случае резистор R1 является общим для двух последовательно включенных ограничителей.
Схема и эпюры напряжения параллельного двухстороннего ограничителя.
Расчёт параллельных диодных ограничителей
Простейший параллельный диодный ограничитель представляет собой схему состоящую из диода VD1, включённого параллельно нагрузке и ограничительного резистора R1. В отсутствии источника напряжения смещения Есм данная схема является амплитудным ограничителем с нулевым уровнем ограничения. Как и схема с последовательным диодом, данную схему можно представить в виде делителя напряжения на резисторах, в которой выходное напряжение будет равно:
[math]U_{BbIX}= \frac {U_{BX} * R_{VD}}{R_{VD} + R1}[/math]
- где UBX – входное напряжение,
- R1 – ограничительный резистор,
- RVD – сопротивление диода в обратном направлении.
В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится по следующей формуле:
[math]U_{BbIX}=E_{CM} + \frac {U_{BX} * R_{VD}-E_{CM} * R_{VD}}{R_{VD} + R1}[/math]
- где Есм – напряжение смещения.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 VD, то есть чем меньше ограничительное сопротивление по отношению к сопротивлению диода в обратном направлении, тем напряжение на выходе больше соответствует входному напряжению.
Амплитудные ограничители находят самое широкое распространение в импульсных схемах и могут выполнять следующие функции:
- формирование импульсов с плоской вершиной;
- пропускание импульсов с определённой полярностью и амплитудой;
- формирование импульсов стандартной амплитуды;
- ограничение уровня сигнала для сокращения длительности фронта и среза;
- фиксирование уровня сигнала для поддержание напряжения и тока на заданном уровне;
- демпферирование колебаний ударного возбуждения в контурах.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Амплитудные ограничители в электронике: схемы, односторонние, двусторонние
Различают односторонние и двусторонние амплитудные ограничители.
Односторонний ограничитель — это устройство, напряжение на выходе которого Uвых(t) остается на постоянном уровне Uотp, когда входное напряжение Uвх(f) либо превышает некоторое пороговое значение Uпор (ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму входного.
Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях.
{xtypo_quote}На рис. 3.79, а приведены передаточная характеристика и графики входного и выходного напряжений для одностороннего ограничителя сверху, на рис. 3.79, б для одностороннего ограничителя снизу, а на рис. 3.79, в — для двустороннего ограничителя.{/xtypo_quote} 
Диодные ограничители амплитуды
Наиболее простыми являются ограничители на диодах. Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, а в параллельных — параллельно нагрузке.
Рассмотрим идеализированную схему последовательного диодного ограничителя (рис. 3.80). До тех пор пока входное напряжение меньше Е0, диод закрыт и Uвых равно E0. В промежутках времени, когда входное напряжение превышает Е0 диод открыт и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, рассмотренный ограничитель является последовательным диодным ограничителем на положительном уровне снизу. 
Практически используемая схема рассмотренного ограничителя приведена на рис. 3.81. Она позволяет регулировать уровень ограничения, сделав одно из сопротивлений R1 или R2 переменным. Данную схему можно преобразовать в предыдущую, применив теорему об эквивалентном генераторе. Тогда Rн и Е0 будут иметь следующие значения:
Rн = R1/R2
E0 = ER/(R1 +R2) 
Рассмотрим принцип действия параллельного диодного ограничителя (рис. 3.82). Лишь в промежутках времени, когда входное напряжение более отрицательно, чем Е0, диод открыт (его при анализе можно заменить закороткой) и Uвых равно Е. Во все остальные моменты времени диод закрыт (его при анализе можно заменить разрывом цепи) и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, данный ограничитель является параллельным диодным ограничителем на отрицательном уровне снизу. 
Рассмотрим работу параллельного ограничителя в случае, когда сопротивление нагрузки соизмеримо с ограничителем (рис. 3.83). 
Исходная схема (рис. 3.83, а) по теореме об эквивалентном генераторе преобразуется в эквивалентную схему (рис. 3.83, б), в которой ограничивается уже не входное напряжение, а эквивалентное, являющееся результатом деления входного напряжения между сопротивлениями R0 и Rн,
Uвх.э = UmRн / (Rн + R0)
Rн = R0|Rн
Диаграммы работы этого ограничителя приведены на рис. 3.84. В момент начала ограничения (t1) входное напряжение будет соответствовать некоторому напряжению — E1. 
Рассмотрим двусторонний диодный ограничитель (рис. 3.85), который является комбинацией двух параллельных односторонних диодных ограничителей. 
Из анализа схемы видно, что диод Д1 открыт лишь в промежутках времени, когда входное напряжение меньше −E1 и Uвых на этом промежутке ограничивается на уровне −E1. Диод Д2 открыт лишь в промежутках времени, когда Uвх больше, чем Е2, и в этих промежутках времени Uвых ограничивается уровнем Е2.
Ограничители амплитуды на операционных усилителях
Широкое распространение нашли ограничители амплитуды, построенные на основе ОУ. Рассмотрим некоторые из них. На рис. 3.86, а приведена схема одностороннего ограничителя на основе ОУ, на рис. 3.86, б — передаточная характеристика ограничителя, а на рис. 3.86, в — временные диаграммы его работы. 
Основой данного ограничителя является инвертирующий усилитель на основе ОУ. В промежутках времени, когда напряжение Uвых отрицательное или меньше, чем Uст + Uд, диод закрыт (его при анализе можно заменить разрывом цепи) и устройство работает как обычный инвертирующий усилитель (Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, Uд — прямое падение напряжения на диоде). В промежутках времени, когда напряжение Uвх выше уровня Uст + Uд, диод открыт, а стабилитрон находится в режиме стабилизации и напряжение Uвых ограничивается на уровне Uст + Uд. Входное напряжение U1, при котором начинается ограничение выходного, определяется выражением
U1= − (Uст + Uд) / K
K = R2 / R1
Рассмотрим двусторонний ограничитель на основе ОУ (рис. 3.87, а). 
Если к стабилитрону приложено прямое напряжение, то он выполняет функции диода, и напряжение Uпр на нем достаточно мало (около 0,7 В). Поэтому при положительном выходном напряжении стабилитрон СТ1 выполняет функции диода, и как только выходное напряжение достигает уровня Uст2 + Uпр, оно ограничивается на этом уровне (Uст2 − напряжение стабилизации стабилитрона СТ2). При отрицательном выходном напряжении стабилитрон СТ2 используется как диод. Как только напряжение Uвых достигает значения − (Uст1 + Uпр), оно ограничивается на этом уровне (рис. 3.87, б) (Uст1 — напряжение стабилизации стабилитрона СТ1). Входные напряжения U1 и U2, при которых начинаются ограничения, определяются выражениями
U1 = (Uст1 + Uпр) / K
U2 = − (Uст2 + Uпр) / K
K = R2 / R1
Ограничители уровня
Диодное ограничение
Ограничитель срезает вершину сигнала и делает ее плоской. Ограничение может быть односторонним и двусторонним. Так, схема на рис. 28.10 ограничивает только отрицательную полуволну напряжения. Падение напряжения на диоде при прямом включении будет создавать уровень отрицательного напряжения –0,6 В, показанный пунктиром. Обычно диоды считают идеальными и этим напряжением пренебрегают.
Чтобы получить ограничение напряжения на других уровнях, последовательно с диодом включают батарею. При этом диод может быть смещен в прямом (рис. 28.11(а)) или обратном (рис. 28.11(б)) направлении. В схеме на рис. 28.11(б) диод проводит ток только тогда, когда напряжение на его катоде равно или ниже –2 В. При этом выходное напряжение равно ЭДС батареи (если считать диод идеальным).
Рис. 28.11. Ограничение входного напряжения на уровне +2 В (а) и –2 В (б).
При напряжении выше -2 В диод смещен в обратном направлении, т. е. закрыт, и часть входного напряжения поступает на выход схемы.
Вот простой способ построения ограничителя с дополнительным смещением:
1. Проведите на графике входного напряжения линию, соответствующую величине ЭДС батареи.
2. Если ЭДС включена так, что смещает диод в прямом направлении, то большая часть входного сигнала будет ограничена, т. е. отсечена, и наоборот.
Схема на рис. 28.12 ограничивает положительную и отрицательную полуволны входного напряжения. На рис. 28.12(а) диод D1 ограничивает положительную полуволну, а диод D2 – отрицательную. В случае идеальных диодов выходное напряжение этой схемы всегда будет равно нулю. Однако если учесть падение напряжения на диоде (для кремниевого диода оно равно 0,6 В), то получите ограничение на уровнях +0,6 В и -0,6 В. Схема на рис. 28.12(б) тоже обеспечивает двустороннее ограничение и имеет дополнительное смещение. Диод D1 ограничивает положительную полуволну входного сигнала, на уровне +2 В, а диод D
Рис. 28.12. Двустороннее ограничение.
Ограничение с помощью стабилитрона
Стабилитрон (или зенеровский диод) тоже можно использовать для ограничения сигнала (рис. 28.13). Стабилитрон Z2 в схеме (б) проводит ток только при положительной полуволне сигнала. Однако стабилитрон Z1 остается выключенным до тех пор, пока входное напряжение не превысит его напряжения пробоя (в данном случае 6 В), ограничивающего входное напряжение. В отрицательный полупериод стабилитрон Z
Рис 28.14.Схемы ограничения на стабилитроне.
Схемы ограничения на транзисторе
Как уже говорилось в гл. 9, при перегрузке усилителя тоже возникает ограничение сигнала. Схема на рис. 28.14 вырабатывает практически прямоугольное напряжение. Транзистор не имеет напряжения смещения, поэтому при отсутствии напряжения на входе он закрыт. В течение положительного полупериода входного сигнала транзистор открыт (переход эмиттер-база смещен в прямом направлении) и при достаточной величине напряжения на входе входит в насыщение. При этом напряжение на выходе равно нулю. В течение отрицательного полупериода входного сигнала транзистор закрыт и напряжение на выходе равно
Рис. 28.14.1 Схема ограничения на транзисторе.
Триггер Шмитта
Очень распространенной схемой для формирования и ограничения импульсов является триггер Шмитта, изображенный на рис. 28.15. При отсутствии входного сигнала база T1 имеет нулевой потенциал, и транзистор закрыт. Транзистор T2 в это время находится в состоянии насыщения, поскольку на его базу подано положительное напряжение, определяемое делителем R2—R4—R5.
При увеличении входного напряжения в положительном направления транзистор T1 начинает проводить ток, когда напряжение на его базе превысит напряжение на эмиттере на +0,6 В. Когда это произойдет, транзистор T1 начинает пропускать ток, потенциал его коллектора понижается и это понижение передается на базу транзистора T2. В результате ток транзистора T2 уменьшается, падает потенциал эмиттеров транзисторов T
Рис. 28.15. Схема триггера Шмитта.
Таким образом, транзистор T1 очень быстро достигает насыщения, а транзистор T2 — отсечки. Выходное напряжение при этом равно VCC. Если теперь входное напряжение упадет до нуля, произойдет обратный процесс, в результате чего транзистор T1 закроется, а транзистор T
Эту схему называют еще схемой восстановления постоянной составляющей (ВПС). Схема фиксации уровня добавляет к сигналу переменного тока постоянную составляющую, не изменяя при этом формы входного сигнала.
Во многих случаях бывает важно сохранить уровень постоянной составляющей сигнала. Так, если схема имеет связь по переменному току, постоянная составляющая теряется, и ее потом приходится восстанавливать. Это случается, например, при дифференцировании импульсной последовательности или после прохождения видеосигнала через разделительный конденсатор. Фиксация уровня также используется для получения смещения класса С в транзисторах, например в генераторах (см. гл. 30). На рис. 28.16 изображена схема фиксатора.
Срез АВ (рис. 28.17) входного сигнала представляет собой отрицательный перепад напряжения величиной 10 В. Он состоит из высокочастотных составляющих и поэтому проходит через конденсатор, делая точку Х (.выход) отрицательной. При этом диод оказывается смещенным в прямом направлении и, если считать его идеальным, накоротко замыкает очку X на нулевой уровень. Конденсатор быстро заряжается через малое сопротивление прямо смещенного диода в отрицательном направлении (рис. 28.16(б)).
Рис. 28.16. Фиксация уровня постоянной составляющей, (а) Уровень фиксации 0 В.
(б) Выходной сигнал (точка X) изменяется от 0 до 10 В,
тогда как входной сигнал изменяется от -5 до +5 В.
Рис. 28.17. Сигнал на выходе схемы, изображенной на рис. 28.16, при постоянной времени: (а) очень большой, (б) сравнимой с периодом входного сигнала, (в) малой.
Этот заряд сохраняется до прихода фронта следующего импульса.
Фронт импульса CD представляет собой положительный перепад напряжения величиной 10 В. Он состоит из высокочастотных составляющих поэтому проходит через конденсатор, изменяя потенциал точки Х от 0 до +10 В (рис. 28.16(б).
Диод теперь смещен в обратном направлении (т. е. цепь разомкнута) падением напряжения 10 В на резисторе R. Начинающий протекать ток пытается перезарядить конденсатор в противоположном направлении; при этом выходное напряжение начинает падать. Однако, если постоянная времени RC велика в сравнении с периодом входного сигнала, конденсатор не успеет потерять свой отрицательный заряд до прихода следующего среза входного импульса (рис. 28.17(а)).
Чтобы получить большую величину постоянной времени, резистор R можно удалить. При этом постоянная времени будет определяться как С · r, где r — обратное сопротивление диода. Чтобы получить на выходе нулевой уровень фиксации при отрицательной полярности выходного сигнала, следует поменять полярность включения диода (рис. 28.18). Обратите внимание, что постоянная составляющая входного сигнала блокируется конденсатором и не влияет на величину выходного сигнала.
Рис. 28.18. Фиксация выходного сигнала на нулевом уровне при его отрицательной полярности.
Чтобы нарисовать график выходного сигнала, нужно сначала нарисовать входной сигнал и затем провести линию нулевого уровня. Если Диод включен таким образом, что ограничивает положительные отклонения сигнала, то весь выходной сигнал будет расположен ниже нулевого уровня, и наоборот.
Схемы фиксации можно применять не только для сигналов прямоугольнойформы. На рис. 28.19 показана схема фиксации синусоидального сигнала.
Для фиксации сигнала на уровнях, отличных от нулевого, последовательно с диодом включается источник ЭДС, который смещает диод в прямом (рис. 28.20(а)) или обратном (рис. 28.20(б)) направлении. На схеме рис. 28.20(б) на диод подано обратное смещение +5 В, в результате чего выходной сигнал не может иметь значение, большее +5 В. Поскольку схема фиксации не изменяет размах входного сигнала, то выходной сигнал изменяется от +5 В до -15 В при общем размахе 20 В.
Рис. 28.19. Фиксация уровня синусоидального сигнала.
Рис. 28.20. Фиксация сигнала на уровне -5 В (а) и +5 В (б).
В этом видео рассказывается о диодном ограничении:
Добавить комментарий
Ограничители напряжения
В ряде операций преобразования входных сигналов (например, при детектировании частотно – модулированных сигналов) возникает необходимость ограничения этих сигналов по амплитуде. Эта задача решается тоже с помощью полупроводниковых диодов – диодное ограничение. Есть два вида диодного ограничения: последовательное и параллельное. Принцип одностороннего последовательного и параллельного ограничения иллюстрируют схемы рис.6 (а и б). При подаче на вход схемы рис.6, а переменного напряжения диод VD будет открыт пока потенциал катода ниже, чем потенциал анода, равный E0. При этом через диод протекает ток, сопротивление открытого диода незначительно, и выходное напряжение 
. Как только 
достигает уровня E0, потенциалы катода и анода уравниваются и диод запирается. Ток в цепи прекращается и 
. Таким образом при любом напряжении на входе 
( 
— напряжение пробоя) в положительной полуволне выходное напряжение 
не превышает E0. В отрицательной полуволне входного напряжения потенциал катода всегда меньше потенциала анода, поэтому диод открыт, через резистор R протекает ток и выходное напряжение пропорционально входному (рис.6, в).
В схеме параллельного одностороннего ограничителя (рис.6, б) диод VD включен параллельно нагрузке. На его катоде поддерживается постоянный положительный потенциал E0, поэтому, пока входное напряжение 
, диод закрыт и напряжение на выходе повторяет входное напряжение. То же самое происходит и в отрицательной полуволне входного напряжения. Если же положительное входное напряжение превысит уровень E0, диод открывается и через его малое сопротивление к выходу подключается источник постоянного напряжения E0. Форма выходного напряжения показана на рис.6, г.
Двустороннее ограничение можно выполнить на двух кремниевых диодах в схеме параллельного ограничения (рис.7, а). Уровни ограничения в этой схеме равны пороговым напряжениям диодов (0,5…0,6 В). Для повышения уровня ограничения можно включить последовательно по два и более диодов в каждом плече. Форма выходного напряжения показана на рис.7, б.
Двустороннее ограничение с уровнем ограничения в несколько вольт можно осуществить в параллельном ограничителе с двумя встречно включенными стабилитронами (рис.8, а). При положительной полуволне входного напряжения стабилитрон VD1 открыт и работает на прямой ветви ВАХ, а для VD2 это напряжение обратное. Пока 
( 
— напряжение пробоя стабилитрона) VD2 заперт, ток через него не проходит и напряжение на выходе равно входному. Когда 
достигнет значения , наступает пробой VD2, ток через него резко возрастает и напряжение на выходе равно напряжению стабилизации 
. При отрицательной полуволне стабилитроны VD1 и VD2 меняются ролями. Форма выходного напряжения представлена на рис.8,б.
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Работа выполняется на стендах, описание которых приведено в работах №№ 1. и 2.
4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ (выполняется при домашней подготовке).
4.1. Выписать из справочника параметры применяемых в работе диодов и стабилитронов.
4.2. Для параметров схемы диодного выпрямителя вычислить импульсный максимальный ток диода и оценить пригодность диода сравнением с выписанными справочными данными.
4.3. По заданному варианту рассчитать параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне (выбрать тип стабилитрона и вычислить 
). Параметры источника напряжения и нагрузки стабилизатора приведены в таблице 1 по вариантам.
Таблица1: Варианты заданий
4.1. По указанным в задании параметрам схем одностороннего и двухсторонних ограничителей напряжений рассчитать максимально допустимое входное напряжение, используя справочные данные диодов и стабилитронов.
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
5.1. Собрать схему рис.9. Установить на выходе генератора G напряжение UГm=3- 4В;ƒГ =1000Гц. Подключить оба входа осциллографа к выходу генератора и отрегулировать оба канала (установить одинаковую чувствительность). Переключить второй канал осциллографа на выход.
5.2. Зарисовать осциллограммы UГ и UН, отметить на графиках амплитуды напряжений. Измерьте с помощью осциллографа амплитуду импульса напряжения Uнm ,пользуясь методикой описанной в п.6.2.
5.3.Подключить параллельно нагрузке RН фильтрующую емкость 
мкФ. Добавить в схему резистор R1=22 Ом для измерения тока (рис.10). Напряжение генератора оставить прежним .
5.4. Зарисовать осциллограммы UГ ,UН, iН (ток iН находить по падению напряжения на R1: 
). Измерить с помощью осциллографа и записать амплитуду выпрямленного тока IНm.=Uнm/(Rн+R1) Методика измерения описана в п.6.2.
5.5 Собрать схему рис.11 и снять обратную ветвь вольт – амперной характеристики стабилитрона. Результаты измерений занести в таблицу 2. Диапазон изменения входного напряжения ограничивается максимально допустимым обратным током стабилитрона.
5.6. Собрать схему рис.12 и снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона. Результаты вносятся в таблицу 3. Значения прямого тока изменяются в пределах от 0 до15…20мА.
Таблица 2
| UВХ,,В | ||||||||||||
| IСТ,m А | ||||||||||||
| UСТ, В |
Таблица 3
| UПР,В | ||||||||||||
| IПР,m А |
5.7. Собрать схему стабилизатора напряжения рис.13 и снять передаточную характеристику стабилизатора Uвых =ƒ(Uвх) при Rн= 4,7 кОм. Результаты внести в таблицу 4.
Таблица 4
| UВХ,В | ||||||||||||
| Uвых,В |
5.8. Собрать схему одностороннего ограничителя рис.14. Установить значение E2 = 2 В и снять передаточную характеристику ограничителя при изменениях UВХ от 0 до +10 В. Данные занести в таблицу 5.
Таблица 5
| UВХ,В | ||||||||||||
| Uвых,В |
5.9. Подключить ко входу (вместо E1) генератор синусоидальных сигналов и установить на нем напряжение 5 В и частоту1000 Гц. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения. Повторить эту же операцию при E2 = 0.
5.10. Собрать схему двустороннего ограничителя на диодах рис.15. Снять передаточную характеристику, изменяя входное напряжение в пределах ±5 В. Данные занести в таблицу, аналогичную таблице 5. Подключить ко входу генератор синусоидальных сигналов и зарисовать осциллограммы выходного напряжения при UВХm =0,3 В; 1В; 2В. Частота сигнала 1000Гц.
5.11. 
Собрать схему двустороннего ограничителя на стабилитронах КС 133 А. (рис.16). Подать на вход напряжение генератора синусоидальных сигналов частотой 1000 Гц. Один вход осциллографа подключить к выходу генератора, а второй вход – к выходным зажимам ограничителя. Плавно изменяя амплитуду входного сигнала от 0,5 В до 5 В, следить за изменением формы выходного сигнала. Отметить и записать амплитуду входного сигнала, при которой начинается ограничение амплитуды выходного напряжения. Сравнить это значение с параметрами стабилитрона. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения при амплитудах входного сигнала UВХm = 2 В; 5В.
6. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
6.1. Осциллограммы напряжений зарисовывать на бумаге в клетку или миллиметровой бумаге, сопоставляя координатную сетку осциллографа сетке на бумаге.
6.2. Измерение амплитуды выпрямленного напряжения с помощью осциллографа выполняется после его предварительной калибровки. Для калибровки подберите переключателем чувствительности осциллографа удобный для наблюдения и отсчета размер исследуемого сигналаUн .Не изменяя чувствительности подайте вместо исследуемого сигнала синусоидальный сигнал с генератора и изменением его величины добейтесь такого же размера полуволны синусоиды ,как и у исследуемого сигнала. Измерьте вольтметром в режиме измерения параметров переменного тока напряжение на выходе генератора. Учитывая, что приборы показывают действующее значение напряжения, рассчитайте его амплитудное значение. Полученная величина и будет амплитудным значением напряжения на Rн. Uнm. При измерении Uнm в п.5.4. сначала отключите вход осциллографа, на который подано напряжение Uн. Горизонтальную линию луча совместите с горизонтальной осью координатной сетки осциллографа. Подайте на вход напряжениеUн и, не трогая больше ручку перемещения по вертикальной оси, отметьте положение максимума кривой напряжения. Она и будет соответствовать значению Uнm,которое определите выше описанным способом.
6.3.Обратную и прямую ветви ВАХ стабилитрона удобнее снимать, установив сначала входное напряжение, соответствующее максимальному обратному или прямому току. Затем, понижая напряжение снять зависимость тока от входного напряжения. Количество точек должно быть достаточным для построения всех характерных участков ВАХ.
6.4. По осциллограммам п.5.2. и 5.4. определить графически среднее значение выпрямленного напряжения Uн ср и вычислить отношения Uн.ср./Uн.m для каждого пункта. Для определения среднего значения Uн.ср. по осциллограмме следует сначала вычислить площадь одного импульса напряжения и построить прямоугольник такой же площади с основанием, равным одному периоду по оси времени. Высота этого прямоугольника и будет значениемUн.ср., отсчитанным по оси напряжения.
6.5. По графику обратной ветви ВАХ определить величину Iст.min и соответствующее ему значение напряжения пробоя UПР, напряжение стабилизации 
, соответствующее номинальному току стабилизации 
, выписанному из справочника. Сравнить полученное значение 
с приведенным в справочнике. При 
вычислить дифференциальное сопротивление стабилитрона 
.
6.6. Используя график ВАХ стабилитрона построить передаточную характеристику 
стабилизатора напряжения (рис.13) при RН = 
и рассчитать величину абсолютного коэффициента стабилизации 
в точке 
.
6.7 По передаточной характеристике стабилизатора при RН = 4,7 кОм (п.5.7) определить значение абсолютного коэффициента стабилизации при . Сравнить значения 
, полученные в п.п. 6.6. и 6.7. и объяснить причину их отличия.
6.8. По формуле (2.12) вычислить коэффициент стабилизации по входному напряжению для RН = и RН = 4,7 кОм. Сравнить полученные значения.
6.9. Проанализировать и объяснить результаты, полученные при исследовании ограничителей напряжения. По данным, полученным в п.п. 5.8 и 5.10, предварительно построить графики зависимостей .
7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1. Справочные данные используемых диодов и стабилитронов.
7.2. Результаты расчетов по п.п. 4.2. – 4.4.
7.3. Таблицы экспериментальных данных и графики.
7.4. Осциллограммы напряжений и токов.
7.5. Анализ полученных результатов.
7.6. Выводы по работе.
1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Объясните физическую природу односторонней проводимости полупроводникового диода.
2. Перечислите и объясните физическую суть различных видов пробоя p – n перехода.
3. Какие из перечисленных видов пробоя используются в стабилитронах?
4. Как зависит напряжение пробоя от температуры для различных видов пробоя?
5. Как влияет степень легирования базы диода на напряжение стабилизации?
6. Какие полупроводниковые материалы используются в стабилитронах и почему?
7. Перечислите и объясните основные параметры стабилитрона?
8. Какие параметры используются для оценки качества стабилизатора?
9. Поясните принцип работы параметрического стабилизатора напряжения . Нарисуйте его схему.
10. Как определяется величина балластного сопротивления 
?
11. Какие элементы могут выполнять роль фильтров в выпрямителях напряжения?
12. Объясните фильтрующую роль конденсатора в схеме выпрямителя.
13. Поясните принцип работы одностороннего ограничителя напряжения.
14. Как работает двусторонний ограничитель на диодах? Как можно изменять уровень ограничения?
15. Объясните принцип работы двустороннего ограничителя напряжения на стабилитронах. Как можно изменять уровень ограничения в нем?
9. ЛИТЕРАТУРА
[1], [2], [3], [6], [9], [16], [17].
Дата добавления: 2016-11-04; просмотров: 7754;
Похожие статьи:
Схемы ограничителей напряжения
Добавлено 6 марта 2017 в 20:05
Сохранить или поделиться
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
.endВо 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 10Впик-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
.endДиод 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
.endОграничитель 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).
D1 отсекает входную синусоиду на уровне 2В. D2 отсекает на уровне –3В.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 сигналеСинусоида 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.
Оригинал статьи:
Теги
ДиодОграничитель напряженияУчебникЭлектроникаСохранить или поделиться