مدار برش دهنده دیودی

در این آموزش، نگاهی به دیود برش دهنده (Clipper) می اندازیم و نحوه استفاده از آن در مدارهای یکسوسازی خواهیم دید. در مدارهای مختلف به ویژه در یکسو کننده ها، از کلیپر برای حفظ سطح ولتاژ استفاده می شود. این مدارها کل سیگنال اصلی را برش نمی زنند بلکه فقط مقدار از پیش تعریف شده سیگنال را کنترل می کنند. این مدارها تغییر شکل موج اصلی را در نیمه مثبت و نیمه منفی حذف می کنند.

این مدارها از ترکیب اجزای خطی مانند مقاومت و اجزای غیر خطی مانند ترانزیستورها و دیودها ایجاد می شوند. این مدارهای برش به عنوان برش دهنده نیز شناخته می شوند. 

دیود برش دهنده چیست؟

محدود کننده دیود نام دیگر مدارهای برش دهنده دیودی است، این مدارها با برداشتن قسمتی از نیمه مثبت یا نیمه منفی مطابق با فرضیات، شکل موج ورودی را تغییر می دهند.

مدارهای کلیپر دیودی را می توان برای اصلاح سیگنال ورودی با توجه به نیاز بار استفاده کرد که بیشترین استفاده از دیودها در این مدارها دیود شاتکی و زنر با دیود معمولی است.

چنین مدارهای کلیپر که از دیودها تشکیل شده اند به عنوان محدود کننده ولتاژ در پروژه ها و ابزارهای مختلف مهندسی استفاده می شوند.

همانطور که در مقالات قبلی با کار دیود به عنوان یکسو کننده آشنا هستیم، دیود زمانی کار می کند که پایه مثبت آن به ترمینال مثبت باتری و پایه منفی دیود به ترمیتال منفی باتری متصل باشد اما در صورتیکه قطب های باتری یا دیود را نسبت به هم جابجا کنیم کار نخواهد کرد.

عملکرد مدارهای کلیپر دیود نیز شبیه به یکسوسازی توسط دیود است.

اکنون مدارهای مختلف را برای مشاهده عملی مدارهای کلیپر دیود مورد بحث قرار می دهیم.

مدار برش دیودی مثبت

در نمودار زیر مشاهده می کنید که یک دیود در شرایط بایاس مستقیم به مقاومت و منبع ورودی متصل است.

برش مثبت در نام مدار نشان می دهد که این مدار سیکل مثبت سیگنال ورودی را حذف می کند.

به دلیل بایاس مستقیم، دیود فقط در نیمه مثبت کار می کند، زیرا ولتاژ کاری دیود 0.7 ولت است، بنابراین تنها 0.7 ولتاژ از دست رفته در مقاومت وجود خواهد داشت و بقیه به dc تبدیل می شوند.

وقتی نیمه منفی روی دیود می آید بایاس نمی شود و مانند سوئیچ باز مقاومت بالاتری ارائه می دهد.

در نمودار داده شده می توانید این پدیده را مشاهده کنید.

مدار برش منفی

از نام مدار می توان نتیجه گرفت که نیمه منفی سیگنال ورودی را حذف می کند. در مدار زیر نشان داده شده است.

هنگامی که نیمه مثبت سیگنال ورودی به دلیل بایاس معکوس روی پایه ها می آید، به دلیل مقاومت زیاد دیود، تغییری در سیگنال ایجاد نمی شود.

هنگامی که نیمه منفی موج می رسد، در این حالت، دیود بایاس مستقیم است، بنابراین جریان از آن عبور می کند و افت ولتاژ در این دیود 0.7 ولت خواهد بود، این ولتاژ برای شروع کار دیود است.

در شکل داده شده می توانید این روند را با جزئیات مشاهده کنید.

برش دهنده دیودی بایاس شده

این مدار کلیپر از یک منبع ولتاژ خارجی با دیود به صورت سری برای برش سیگنال منبع ورودی تشکیل شده است.

2 نوع اصلی از مدارهای کلیپر دیود بایاس شده وجود دارد.

برش دهنده دیودی بایاس مثبت

برش دهنده دیودی بایاس منفی


برش دهنده دیودی بایاس شده مثبت

در این نوع مدار کلیپر، قسمتی از نیمه مثبت سیگنال ورودی حذف می شود و هیچ گونه تغییری در نیمه منفی سیگنال وجود ندارد.

هنگامی که ولتاژ ورودی در حالت مثبت بزرگتر از منبع ولتاژ متصل به دیود باشد، دیود ولتاژ بزرگتر را قطع می کند و ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ بایاس خواهد بود.

در طول سیکل منفی، تغییری در ولتاژ وجود ندارد و این سیکل به طور کامل در خروجی داده می شود.

به عنوان مثال، اگر ولتاژ ورودی پنج ولت و ولتاژ بایاس دو ولت باشد، ولتاژ خروجی 2 ولت خواهد بود، سه ولت دیگر توسط این مدار قطع می شود.

به این دلیل است که اگر مقدار ولتاژ ورودی کمتر از منبع ولتاژ (ولتاژ بایاس) متصل به دیود باشد، در شرایط بایاس معکوس رفتار می‌کند و ولتاژ بایاس جریان از طریق دیود را متوقف می‌کند.

اگر مقدار ولتاژ بالاتر از ولتاژ دیود بایاس شده باشد در حالت بایاس مستقیم کار می کند و جریان شروع به عبور از مقاومت بار می کند.

برش دهنده دیودی بایاس منفی

در این نوع مدار برش، قسمتی از نیمه منفی سیگنال ورودی حذف می شود. و تاثیری در نیمه مثبت موج نخواهد داشت.

اگر ولتاژ ورودی دارای مقدار مثبت باشد، دیود در حالت بایاس معکوس خواهد بود.

بنابراین مانند یک مدار باز رفتار می کند و تمام ولتاژ در مقاومت خروجی ظاهر می شود.

در مورد نیمه منفی اگر ولتاژ بالاتر از ولتاژ بایاس باشد، دیود اکنون در شرایط بایاس مستقیم کار می کند. و مقدار بیش از حد از شکل موج حذف می شود، شکل موج حاصل در شکل داده شده ترسیم شده است.

کاربردهای برش دهنده دیودی

تغییر شکل در شکل موج

این مدارها برای تغییر ساختار فیزیکی موج ورودی با توجه به نیازهای پروژه ما استفاده می شوند.

با استفاده از این مدارها می توان شکل موج سینوسی را مطابق مدار به مربع، مستطیل یا هر شکل دیگری تبدیل کرد.

محافظت از ولتاژهای گذرای مدار

جریان های گذرا برای هر مداری که می تواند به مدار ما آسیب برساند بسیار خطرناک است، برای متوقف کردن همه این جریان های گذرا دیودهای کلیپر جریان نیز موثر هستند و می توانند این جریان های گذراها را حذف کنند.

برش دهنده در دو جهت مثبت و منفی

به منظور برش زدن هر دو سیکل مثبت و منفی، دیودهای بایاس مثبت و منفی با هم ترکیب می شوند. ولتاژ بایاس برای هر شاخه بسته به الزامات یا کاربرد مدار قطع می تواند یکسان یا متفاوت باشد. علاوه بر این، یک کلیپر ولتاژ متغیر را می توان با استفاده از یک منبع ولتاژ متغیر ساخت.

در شکل بالا از ولتاژهای بایاس مختلف برای نشان دادن کار در سیکل های مثبت و منفی استفاده شده است. برش در 0.7+3=3.7v و -0.7-5=-5.7v به ترتیب برای سیکل های مثبت و منفی رخ می دهد. شکل موج خروجی یک سیگنال با دامنه بسیار کم تا حد زیادی بریده می شود که منجر به شکل موج مربعی می شود. به طور مشابه، یک سیگنال با دامنه بالا به میزان کمی قطع می شود و یک موج مربعی تولید می شود. کاربرد مدارهای دیود برای حذف نویز و نوسانات سیگنال ورودی است.

برش دهنده دیود زنری

برش دهنده دیود بایاس شده به ولتاژ بایاس نیاز دارد که هزینه مدار را افزایش می دهد. نیاز به منبع تغذیه بایاس را می توان با استفاده از دیودهای زنر در مدارهای قطع تامین کرد. همانطور که در مقاله دیود توضیح داده شد، دیود زنر مانند یک دیود معمولی (0.7 ولت افت ولتاژ مستقیم) در هنگام بایاس مستقیم عمل می کند، اما در جهت معکوس، بالاتر از ولتاژ زنر (VZ) شروع به هدایت می کند. جریان معکوس به سرعت افزایش می یابد در حالی که ولتاژ در دیود زنر تقریباً ثابت می ماند. افزایش سریع جریان زنر مستلزم مقاومت سری مناسب برای محافظت از آسیب دیدن آن است. در نمودار زیر از دیود زنر برای برش زدن هر دو سیکل استفاده شده است. با این حال، برش در سیکل منفی تا حدودی به افت ولتاژ رو به جلو محدود می شود. دیود زنر زیر این افت ولتاژ مستقیم در سیکل های منفی و بالاتر از ولتاژ زنر (VZ) در سیکل های مثبت هدایت می کند.

در شکل زیر یک کلیپر تمام موج مبتنی بر دو دیود زنر نشان داده شده است. در این مدار، هر دو سیکل به ولتاژ زنر (VZ) دیودهای زنر مربوطه خود محدود می شوند. به سادگی، ZD1 سیکل های مثبت را محدود می کند و ZD2 سیکل های منفی را به ترتیب به VZ1 و VZ2 محدود می کند.