Схема двухстороннего ограничителя напряжений

Ограничители напряжения: Простейшие способы ограничения напряжений и защиты от кратковременных импульсных перенапряжений

В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения какого-либо сигнала, используются устройства, называемые ограничителями. В подобных цепях находят широкое применение диоды различных видов (импульсные, универсальные, стабилитроны, ограничители и др.).

С помощью импульсных стабилитронов или ограничителей напряжения можно защитить входные (и выходные) цепи различных узлов аппаратуры от воздействия кратковременных импульсных помех и перенапряжений, проникающих в них из-за грозовых разрядов, коммутации индуктивных нагрузок, статических электрических разрядов и т.п. (рис. 3.2‑1. 3.2‑4).

Рис. 3.2-1. Схема защиты диодного моста и трансформатора

Рис. 3.2-2. Схема защиты входной и выходной цепей транзисторного усилителя

Рис. 3.2-3. Схема защиты ОУ по цепям питания

Рис. 3.2-4. Схемы защиты ОУ по входным и выходным однополярным (а) и двуполярным (б, в) сигнальным цепям

Обыкновенные универсальные, выпрямительные или импульсные диоды также могут использоваться в схемах ограничения напряжения. Например, если необходимо ограничить уровень напряжения сигнала каким-либо конкретным значением, то подойдет простейшая схема представленная на рис. 3.2-5. Здесь напряжение ограничения составляет примерно 5,6 В. Оно складывается из значения опорного напряжения \(U_ <оп>= <5 В>\) и падения напряжения на диоде при прямом смещении (для многих кремниевых диодов

Рис. 3.2-5. Простейший одноуровневый диодный ограничитель

Аналогично может быть построена схема и для двухуровневого ограничения (рис. 3.2-6).

Рис. 3.2-6. Двухуровневый диодный ограничитель

Такая и подобные схемы широко используются для защиты различных узлов электронной аппаратуры. Например, входные цепи цифровых микросхем КМОП часто выполняются по схеме приведенной на рис. 3.2-7.

Рис. 3.2-7. Типовая схема защиты входных узлов логических элементов КМОП

На рис. 3.2-8 показан последовательный диодный двусторонний ограничитель, в котором при входных напряжениях ±0,5 В напряжение на выходе практически равно нулю и отличается от нуля, если входное напряжение выходит за указанные рамки. Такой ограничитель позволяет подавить нежелательные сигналы малого уровня (фон, шумы).

Рис. 3.2-8. Последовательный двусторонний диодный ограничитель

На рис. 3.2-9 приведен еще один параллельный диодный двусторонний ограничитель, в котором напряжения ±0,5 В передаются на вход без ограничения, а напряжения, выходящие за эти рамки, ограничиваются.

Рис. 3.2-9. Параллельный диодный ограничитель по уровню ±0,5 В

Для получения уровней ограничения порядка ±0,1. 0,3 В можно использовать германиевые диоды или диоды Шоттки, а при необходимости увеличения уровней ограничения до ±1 В , вместо одного диода включают последовательно два или более диодов. Для еще больших напряжений можно использовать стабисторы, светодиоды (в прямом включении), стабилитроны.

Источник

Двусторонний ограничитель

Если соединить два ограничителя, как показано на рис. 11.6, а, то получим схему двустороннего ограничителя. При такой схеме ограничиваются и положительная, и отрицатель­ная полуволны синусоидального напряжения, и на выходе по­лучается сигнал в виде колебаний, близких к колебаниям пря­моугольной формы. Степень ограничения сигнала можно изме­нять путем выбора напряжений смещения. Во время положи­тельного полупериода входного напряжения, превышающего положительный уровень смещения, будет открыт диод Д_ь а во время отрицательного полупериода при таких же условиях от­крывается диод Д₂. Результатом является двустороннее ограни­чение сигнала.

Для преобразования синусоидального входного напряжения в колебания, имеющие форму, близкую к прямоугольной, мож­но использовать также транзисторы. Для этой цели транзистор применяется в обычной усилительной схеме, работающей в ре­жиме ограничения. При этом рабочая точка вне областей огра­ничения находится в линейной части характеристики, что дости­гается при помощи напряжения смещения. Схема такого типа изображена на рис. 11.6,6. Входной сигнал должен иметь ам­плитуду, достаточную для перевода транзистора в область от­сечки во время одного полупериода и в область насыщения во время другого полупериода. Усилители, работающие в режиме ограничения, иногда называют усилителями, работающими в режиме перегрузки.

Рис. 11.6. Схема двустороннего ограничителя.

Во время положительного полупериода транзистор перево­дится в режим насыщения, при этом увеличение амплитуды входного сигнала не приводит к соответствующему увеличению выходного сигнала. В результате верхняя часть полуволны вы­ходного напряжения становится плоской, как показано на ри­сунке. В течение некоторой части отрицательной полуволны входного сигнала транзистор переводится в область отсечки, и в течение этого времени полуволна напряжения на выходе также будет иметь плоскую вершину. Таким образом, при пере­грузке синусоидальный входной сигнал преобразуется в выход­ные колебания, близкие по форме к прямоугольным.

Источник

Двухсторонние диодные ограничители

Двухсторонним диодным ограничителем называется схема, которая получается путём сочетания двух односторонних ограничителей (последовательных или параллельных).

Двухсторонние диодные ограничители содержат обязательно дополнительные источники напряжения, которыми устанавливаются уровни ограничения сигнала.

Рассмотрим одну из разновидностей схем двухсторонних диодных ограничителей, показанную на рис. 4.37. на примере ограничения синусоидального напряжения.

Источники дополнительного напряжения EI и Е2 задают уровни ограничения (EI — уровень ограничения сверху (ограничение по максимуму), Е2 — уровень ограничения снизу (ограничение по минимуму).

Статическая характеристика передачи получается в результате сочетания свойств каждого диодного ограничителя и принимает вид, изображенный на рис. 4.38

Схема, представленная на рис. 4.38, носит название классической параллельной схемы двухстороннего диодного ограничителя. Следовательно, для её анализа справедливо правило 2 с учетом сочетания двух ограничителей. Однако, полезно запомнить и следующее правило:

Рис. 4.37.

Рис. 4.38.

Правило 3. Двухсторонний диодный ограничитель ограничивает входной сигнал, если последний превышает пороговые уровни (уровни ограничения). Математическая модель такого ограничителя описывается следующим выражением:

При положительной полярности входного сигнала и выполнении неравенства , диод VD1 открыт, а VD2 — закрыт. Напряжение на выходе схемы при соблюдении условия , что соответствует временным интервалам .

При отрицательной полярности входного сигнала и выполнении неравенства диод заперт, поскольку потенциал на его аноде меньше потенциала на катоде. При этом VD2 — открыт и напряжение выхода фиксируется на уровне (см.рис. 18.б,в).

При выполнении условия оба диода закрыты и выходной сигнал передаётся на нагрузку, т.е. .

График выходного сигнала показан на рис. 4.38.

Источник

Схемы ограничителей напряжения

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

Ограничитель: ограничивает отрицательные пики до –0,7В

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

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.

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).

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 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.

Источник