Ограничитель напряжения односторонний диод: Диодные ограничители | HomeElectronics

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 (E_CM) 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 U_ВХ меньше, чем напряжение смещения Е_СМ, диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе U_ВЫХ 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 U_ВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе U_ВЫХ 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 (Е_СМ1 < Е_СМ2). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения Е_СМ2, 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 Е_СМ1. При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину Е_СМ2, то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению Е_СМ2.

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:

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 Е

см 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:

• где U_BX – входное напряжение,
• R1 – сопротивление нагрузки,
• R_VD – сопротивление диода в прямом направлении.

В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится по следующей формуле:

• где Есм – напряжение смещения.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 >> R

VD, 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 Е_СМ 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 U_ВХ меньше, чем напряжение смещения Е_СМ, 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 U_ВЫХ будет равно сумме напряжений Е_СМ 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 U_ВХ меньшем напряжении смещения Е_СМ 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 Е_см 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:

• где U_BX – входное напряжение,
• R1 – ограничительный резистор,
• R_VD – сопротивление диода в обратном направлении.

 

В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится по следующей формуле:

• где Есм – напряжение смещения.

 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 << R_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:

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

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 ~0,6 В).

 

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.

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Почему нельзя использовать диод с PN-переходом в качестве регулятора напряжения или эталона при прямом смещении?

\$\начало группы\$

Обычно для регулирования напряжения используется стабилитрон или область лавинного пробоя для соответствующим образом легированного PN-перехода, поскольку существенное изменение тока (из-за неосновных носителей) требует пренебрежимо малого изменения напряжения обратного смещения.

Из ВАХ PN-перехода видно, что, когда прямое напряжение смещения намного превышает напряжение колена, значительное изменение прямого тока также соответствует очень небольшому изменению прямого напряжения. Даже если это напряжение колена очень мало по сравнению с обратным напряжением пробоя, для небольших диапазонов напряжений PN-переход при прямом смещении должен работать как регулятор напряжения.

Можно ли использовать диод с P-N переходом в качестве регулятора напряжения при прямом смещении для меньших диапазонов напряжения?

• диоды
• регулятор напряжения
• полупроводники
• источник опорного напряжения
• pn-переход

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Чип h21L1 использует четыре последовательно соединенных диода в качестве эталона для своих очень простой регулятор напряжения:

Он даже не пытается подавать постоянный ток, поэтому его характеристики меняются в зависимости от напряжения питания и температуры:

^{(источник)}

можно назвать «константой», вам нужна лучшая ссылка.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Довольно часто используется для смещения источника тока.

Слева светодиод (PN-переход) создает опорное напряжение 1,8 В для транзистора. Он используется как шунтирующий стабилизатор, как и стабилитрон, но с более низким напряжением и более низким уровнем шума.

Теоретически температурный коэффициент светодиода Vf несколько компенсирует tempco транзистора Vbe. На практике не так уж и много.

Справа Q3 Vbe является опорным напряжением, а также устанавливает темп.

Оба являются дешевыми способами создания источника тока. Не очень точный или сверхстабильный, но если вам нужен источник тока для смещения чего-либо, этого достаточно.

Довольно часто используется один Vbe в качестве шунтирующего регулятора. Температурная зависимость достаточно высока. При температуре от -20 до +85°C вы получите дрейф 0,2 В, при эталонном напряжении 0,6 В это много. Но если вы на самом деле хотите использовать это свойство для создания зависящего от температуры напряжения, например, для компенсации зависящего от температуры Vbe других транзисторов, тогда оно становится очень полезным.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Его можно использовать именно по тем причинам, которые вы упомянули. Он часто используется внутри ИС для создания перепадов напряжения, которые отслеживают падение напряжения на транзисторах, например, в токовых зеркалах (обычно реализованных в виде транзисторов с диодным соединением:

^{имитация этой схемы — схема создана с помощью CircuitLab}

Почему это так) тогда мало используется для дискретных конструкций?

• Для отдельных конструкций легко найти как стабилитроны, так и резисторы.
• Так же, как и стабилитроны, напряжение не , что стабильное, а меняется в зависимости от температуры и тока. Это лучше, чем делитель с постоянным резистором, но не велик
• В то время как для стабилитронов их изменение происходит сверх номинального падения напряжения в несколько вольт, номинальное падение PN-диода довольно низкое, что делает изменение особенно вредным.

По сути, его простота не перевешивает плохую производительность. Если вы можете справиться с очень плохой регулировкой, резистивный делитель еще проще. Если вам нужна более высокая производительность, стабилитроны или даже TL431 не намного дороже.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Если вы посмотрите на график, который вы разместили в одном и том же соотношении сторон для обоих квадрантов, вы поймете, почему диод с прямым смещением является посредственным опорным напряжением.

С другой стороны, я помню как минимум 2 варианта использования (бессмысленных в современном состоянии, но вполне разумных 2-3 десятилетия назад):

1. В качестве температурной компенсации стабилитрона. Ваш стабилитрон имеет положительный температурный коэффициент ~2мВ/градус С? Просто добавьте диод прямого смещения. Компенсация не идеальна, остается некоторая температурная зависимость второго порядка, но результат может быть намного лучше, чем с одним стабилитроном.

2. Красный светодиод (более старые с прямым напряжением ~1,5 В) в качестве ограничителя напряжения для зарядного устройства для NiCd-элементов. При параллельном подключении к ячейке служит и защитой от перезаряда, и индикатором «готовности» одновременно. Конечно, зарядный ток должен быть ограничен тем, что может светодиод (например, 10-20 мА).

---

И анекдотическое применение из личного опыта: пришлось из единственной доступной 9 долбить стабильный источник питания на 1,5В для микрофона. батарея В. Светодиод от выключателя питания усилителя вместе с его токоограничивающим резистором неплохо справились со своей задачей.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Может использоваться до тех пор, пока подается постоянный ток, поэтому напряжение предсказуемо.

Почему его нельзя использовать, потому что падение напряжения изменяется при изменении тока и температуры, но типичные изменения тока вызывают большую разницу напряжений, чем типичные изменения температуры, а изменения температуры также влияют на стабилитрон.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

. Интегрированный высоковольтный стабилизатор

от Diodes Incorporated повышает удельную мощность

Diodes Incorporated (Nasdaq: DIOD), ведущий мировой производитель и поставщик высококачественных стандартных продуктов для конкретных приложений на широком рынке дискретных, логических и аналоговых полупроводников, сегодня представила аудиоусилитель класса D PAM8407. Этот продукт включает расширенный 32-ступенчатый регулятор громкости вверх/вниз и позволяет сократить количество компонентов в различных приложениях для стереодинамиков, включая ПК, док-станции и беспроводные динамики.

Для задач регулирования высокого напряжения, где нельзя использовать стандартные линейные регуляторы, ZXTR1005 представляет собой экономичную альтернативу, обеспечивающую значительное повышение надежности питания. Регулируемый выход 5 В позволяет микроконтроллерам питаться от телекоммуникационных шин 48 В, а 100-вольтовые входы устройств справляются с любыми переходными состояниями.

Высокопроизводительные возможности ZXTR1005 по регулированию сети и нагрузки также гарантируют, что переходные перепады напряжения не приведут к запиранию, тем самым гарантируя непрерывную работу источника напряжения. Для упрощения управления регулятором и помощи в диагностике устройство включает контакт включения с активным высоким уровнем, позволяющий включать и выключать выход. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт компании www.diodes.com.

О компании Diodes Incorporated

Компания Diodes Incorporated (Nasdaq: DIOD), входящая в индекс Standard and Poor’s SmallCap 600 и Russell 3000, является ведущим мировым производителем и поставщиком высококачественных стандартных продуктов для конкретных приложений на широком рынке дискретных, логических и аналоговых полупроводников. Diodes обслуживает рынки бытовой электроники, вычислительной техники, связи, промышленности и автомобилей. Продукция Diodes включает диоды, выпрямители, транзисторы, полевые МОП-транзисторы, защитные устройства, функциональные матрицы, логику с одним затвором, усилители и компараторы, датчики Холла и датчики температуры; устройства управления питанием, включая драйверы светодиодов, преобразователи и контроллеры переменного тока в постоянный, переключатели постоянного и постоянного тока и линейные регуляторы напряжения, а также источники опорного напряжения, а также специальные функциональные устройства, такие как переключатели питания USB, переключатели нагрузки, регуляторы напряжения и контроллеры двигателей.