Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode...

14
1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare a tensiunii de ieşire la o valoare prescrisă. Astfel de circuite sunt utilizate pentru schimbarea formei semnalelor şi pentru protecţia dispozitivelor electronice de putere, a intrărilor sau a ieşirilor circuitelor electronice, a aparatelor electronice de măsurare. Pentru realizarea limitatoarelor de amplitudine, se folosesc diode redresoare şi/sau stabilizatoare de tensiune. În funcţie de tipul şi de numărul diodelor din structură, circuitul va avea un număr de praguri de limitare, respectiv niveluri de limitare. După numărul pragurilor şi al nivelurilor de limitare, aceste circuite electronice se clasifică în: limitatoare de amplitudine cu un prag şi un nivel de limitare (unilaterale); limitatoare de amplitudine cu două praguri şi două niveluri de limitare (bilaterale), simetrice sau asimetrice. Analiza unui limitator de amplitudine urmăreşte determinarea caracteristicii de transfer a circuitului, u O =f(u I ), şi se bazează pe următoarele ipoteze: tensiunea de intrare are o variaţie oarecare în timp, lentă (semnal mare, de frecvenţă joasă), ipoteză care va permite utilizarea modelelor de semnal mare ale diodelor; ieşirea circuitului este în gol. Limitatoarele bilaterale pot fi realizate cu diode redresoare sau cu diode stabilizatoare de tensiune.

Transcript of Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode...

Page 1: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

1

Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune

Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare a tensiunii de ieşire la o valoare prescrisă.

Astfel de circuite sunt utilizate pentru schimbarea formei semnalelor şi pentru protecţia dispozitivelor electronice de putere,

a intrărilor sau a ieşirilor circuitelor electronice, a aparatelor electronice de măsurare.

Pentru realizarea limitatoarelor de amplitudine, se folosesc diode redresoare şi/sau stabilizatoare de tensiune.

În funcţie de tipul şi de numărul diodelor din structură, circuitul va avea un număr de praguri de limitare, respectiv niveluri

de limitare. După numărul pragurilor şi al nivelurilor de limitare, aceste circuite electronice se clasifică în:

limitatoare de amplitudine cu un prag şi un nivel de limitare (unilaterale);

limitatoare de amplitudine cu două praguri şi două niveluri de limitare (bilaterale), simetrice sau asimetrice.

Analiza unui limitator de amplitudine urmăreşte determinarea caracteristicii de transfer a circuitului, uO=f(uI), şi se bazează

pe următoarele ipoteze:

tensiunea de intrare are o variaţie oarecare în timp, lentă (semnal mare, de frecvenţă joasă), ipoteză care va permite

utilizarea modelelor de semnal mare ale diodelor;

ieşirea circuitului este în gol.

Limitatoarele bilaterale pot fi realizate cu diode redresoare sau cu diode stabilizatoare de tensiune.

Page 2: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

2

1. Limitator bilateral cu o diodă stabilizatoare de tensiune

Structura stabilizatorului de tensiune continuă cu o diodă Zener poate să funcţioneze ca limitator bilateral de amplitudine,

dacă tensiunea continuă de alimentare este înlocuită cu un semnal bipolar de intrare (fig. 1).

Fig. 1. Limitator bilateral cu o diodă stabilizatoare de tensiune.

a. Schemă de principiu. Circuite echivalente: b. diodă în regim de stabilizare a tensiunii; c. diodă blocată; d.

diodă în conducţie directă

În funcție de zona de pe caracteristica statică în care funcționează

dioda Zener (fig. 2) rezultă 3 circuite echivalente ale limitatorului de

amplitudine (fig. 1.b,c,d) care se obțin prin înlocuirea diodei cu

modelul de semnbal mare corespunzător.

Cele 3 situații posible sunt:

dioda funcționează în zona de străpungere a caracteristicii

statice (din cadranul III), adică stabilizează tensiunea la borne –

fig.1.b;

dioda este blocată (la polarizare directă sau inversă) – fig. 1.c;

dioda este în conducție directă (funcționează în cadranul I) –

fig. 1.d.

Fig. 2. Caracteristica statică liniarizată a diodei

Zener

QT

panta 1/rZT

-UZ0

0 U

Ta= 25 CO

IA

Q

panta 1/rd

UAK

IZ

Page 3: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

3

a) Pentru 0Zi Uu , dioda stabilizează tensiunea de la borne (fig. 1.b). Pentru calcularea lui uo se aplică metoda

suprapunerii efectelor și în ambele situații rezultă un divizor de tensiune constituit din R și rz .

Astfel, 0Zz

iz

z0uo0Uoo U

rR

Ru

rR

ruuu

i0Z

, iar dacă zrR , 0Zo Uu ;

Fig. 1.b

Fig. 3. a. Caracteristica de transfer a limitatorului bilateral asimetric;

b. Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi de ieşire

b) Atunci când 0Zi UuU , dioda este blocată

(circuitul echivalent din fig. 1.c). Pentru că nu circulă

curent prin diodă și ieșirea circuitului este în gol,

tensiunea de ieşire urmăreşte tensiunea de intrare:

io uu .

Fig. 1.c

Page 4: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

4

Fig. 1.d

Fig. 3. a. Caracteristica de transfer a limitatorului bilateral asimetric;

b. Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi de ieşire

c) Dacă Uu i , dioda este în conducţie directă (circuitul echivalent din fig. 1.d) şi tensiunea de ieşire este

UrR

Ru

rR

ru

di

d

do sau, pentru drR , Uuo .

Caracteristica de transfer, reprezentată în fig. 3.a , arată că circuitul studiat realizează funcţia de limitator bilateral cu praguri

şi niveluri asimetrice de limitare: Uip1 = Uol1 = UZ0 şi Uip2 = Uol2 = U.

Limitarea se produce atunci când amplitudinea semnalului de intrare se află în afara domeniului delimitat de pragurile de

limitare. Pentru scăderea celui de-al doilea prag şi, respectiv, nivel de limitare, se introduce o a doua diodă stabilizatoare de

tensiune, în serie şi în opoziţie cu prima diodă, ca în fig. 4.a.

Page 5: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

5

2. Limitator bilateral cu două diode stabilizatoare de tensiune

Schema de principiu a circuitului este în fig.4.a.

Fig. 4. Limitator bilateral cu două diode stabilizatoare de tensiune.

a. Schemă de principiu. Circuite echivalente: b. diode blocate;

c. DZ1 în regim de stabilizare a tensiunii şi DZ2 în conducţie directă;

d. DZ1 în conducţie directă şi DZ2 în regim de stabilizare a tensiunii

Dacă tensiunile stabilizate de diode sunt diferite (UZT1 UZT2), limitatorul bilateral va avea praguri şi niveluri de limitare

nesimetrice. Pentru acest caz, analiza circuitului conduce la următoarele rezultate.

a) Atunci când 201Zi102Z UUuUU , ambele diode sunt blocate (circuitul echivalent din fig. 4.b).

Curentul prin diode fiind nul și ieșirea circuitului fiind în gol, tensiunea de ieşire urmăreşte tensiunea de intrare,

io uu .

Page 6: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

6

b) Pentru 201Zi UUu , dioda DZ1 stabilizează tensiunea de la borne, iar dioda DZ2 este în conducţie directă

(circuitul echivalent din fig. 4.c).

Tensiunea de ieșire se deduce procedând ca la limitatorul de amplitudine cu o diodă

Zener, cu următoarele observații:

- în loc de zr acum apare 2d1z rr ;

- în loc de 0ZU acum apare 201Z UU .

Se obține următoarea expresie a tensiunii de ieșire :

201Z2d1z

i2d1z

2d1zo UU

rrR

Ru

rrR

rru

sau, dacă 2d1z rrR , 201Zo UUu .

Fig. 5. a. Caracteristica de transfer a limitatorului bilateral asimetric, din fig. 4.a;

b. Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi de ieşire, în cazul limitatorului bilateral simetric

Page 7: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

7

c) Atunci când 102Zi UUu , dioda DZ1 este în conducţie directă, dioda DZ2 stabilizează tensiunea de la

borne (circuitul echivalent din fig. 4.d) şi tensiunea de ieşire este

102Z1d2z

i1d2z

1d2zo UU

rrR

Ru

rrR

rru

sau, pentru 1d2z rrR , 102Zo UUu .

Fig. 4.d

Fig. 5. a. Caracteristica de transfer a limitatorului bilateral asimetric, din fig. 4.a;

b. Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi de ieşire, în cazul limitatorului bilateral simetric

Page 8: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

8

Fig. 5. a. Caracteristica de transfer a limitatorului bilateral asimetric, din fig. 4.a;

b. Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi de ieşire, în cazul limitatorului bilateral simetric

d) Caracteristica de transfer, reprezentată în fig. 5.a, arată că circuitul studiat realizează funcţia de limitator bilateral cu praguri

şi niveluri asimetrice de limitare:

Uip1 = Uol1 = U2 + UZ01 şi Uip2 = Uol2 = (U1 + UZ02).

e) Simetria pragurilor şi a nivelurilor de limitare este obţinută în cazul utilizării a două diode cu aceleaşi caracteristici electrice:

U1 = U2 = U ; UZ01 = UZ02 = UZ0 ; rd1 = rd2 = rd ; rz1 = rz2 = rz.

În acest caz, rezultă: Uip1 = Uol1 = U + UZ0 şi Uip2 = Uol2 = (U + UZ0).

f) Formele de undă ale tensiunilor de intrare şi de ieşire, în cazul limitatorului bilateral asimetric, sunt arătate în fig. 5.b.

Page 9: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

9

3. Rezultate obținute prin simulare pentru limitatorul bilateral cu două diode stabilizatoare de tensiune

Se studiază funcţionarea circuitului limitator bilateral simetric de amplitudine din fig. 1.3.28, cu DZ1 DZ2 (BVX85-

C5V1). Circuitul poate fi

a) cu ieşirea în gol, când comutatorul K1 este deschis;

b) cu ieșirea în sarcină (K1 închis) și rezistorul de sarcină R2 = 10 k (K2 pe poziția din fig.1.3.28);

c) cu ieșirea în sarcină (K1 închis) și rezistorul de sarcină R3 = 510 (K2 pe cealaltă poziție).

Se conectează un generator de funcţii (XFG1) la intrarea circuitului, şi un osciloscop (XSC1) pentru vizualizarea semnalului

de intrare(aplicat la canalul A) și semnalului de ieșire (aplicat la canalul B), ca în fig. 1.3.28.

Fig. 1.3.28

Page 10: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

10

Generatorul de funcţii se setează pentru o formă de undă sinusoidală, cu amplitudinea de 10V, offset zero şi frecvenţa de

1kHz.

Setările osciloscopului: baza de timp se fixează la 200s/div; factorul de scară al canalului A: 5 V/div; factorul de scară

al canalului B: 5V/div.

Formele de undă ale semnalelor de intrare (cu portocaliu) şi de ieşire (cu bleu) sunt cele din fig. 1.3.29 pentru limitatorul

cu ieșirea în gol.

Fig. 1.3.29

Page 11: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

11

Caracteristica statică de transfer a limitatorului cu ieșirea în gol (VB=f(VA)) este cea din fig. 1.3.30.

Din caracteristica de transfer a limitatorului bilateral, cu ajutorul cursorilor, se determină parametrii circuitului limitator,

după cum urmează:

panta caracteristicii de transfer în regiunea mediană a caracteristicii (fig. 1.3.30),

m = (VB2-VB1)/(VA2-VA1) = 11V/11,4V = 0,965;

tensiunile de prag la limitare (VA1, VA2), nivelurile minime de limitare ale tensiunii de ieşire (VB1, VB2) - fig. 1.3.30:

Uip1= VA2 = 5,7 V; Uol1min= VB2 = 5,5 V; Uip2= VA1 = 5,7 V; Uol2min = VB1 = 5,5 V;

Fig. 1.3.30

Page 12: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

12

nivelul maxim de limitare al tensiunii pozitive de ieşire şi panta semidreptei corespunzătoare regimului de limitare (fig.

1.3.31):

Uol1max = VB2 = 5,7 V;

mlim1 = (VB2-VB1)/(VA2-VA1) = 168,7mV/4,3V = 0,039;

Fig. 1.3.31

Page 13: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

13

nivelul minim de limitare al tensiunii negative de ieşire şi panta semidreptei corespunzătoare regimului de limitare (fig.

1.3.32):

Uol2max = VB1 = -5,7 V;

mlim2 = (VB2-VB1)/(VA2-VA1) = 169,3mV/4,3V = 0,039.

Fig. 1.3.32

Page 14: Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune file1 Limitatoare bilaterale cu diode stabilizatoare de tensiune Limitatoarele de amplitudine realizează funcţia de limitare

14

4. Studiul influenţei rezistenţei de sarcină

asupra caracteristicii de transfer a unui limitator

Se va considera cazul unui limitator bilateral simetric, realizat cu două diode stabilizatoare de tensiune identice.

Analiza circuitului conduce la următoarele rezultate:

a) atunci când UUuUU 0Zi0Z , nici un curent nu circulă prin cele două diode înseriate şi tensiunea de

ieşire este iiL

Lo uu

RR

Ru

; (1)

b) pentru UUu 0Zi , dioda DZ1 stabilizează tensiunea de la borne, iar dioda DZ2 este în conducţie directă şi

UU

rrR//R

R//Ru

rr//RR

rr//Ru 0Z

dzL

Li

dzL

dzLo (2)

c) atunci când UUu 0Zi , dioda DZ1 este în conducţie directă, dioda DZ2 stabilizează tensiunea de la borne şi

tensiunea de ieşire este

UU

rrR//R

R//Ru

rr//RR

rr//Ru 0Z

dzL

Li

dzL

dzLo (3)

Relaţia (1) arată că o rezistenţă finită de sarcină determină o tensiune de ieșire mai mică decât cea de intrare, iar panta

segmentului caracteristicii de transfer scade. Pentru RL , panta acestui segment tinde către unu.

În cele două regiuni de limitare, rezistenţa finită de sarcină face ca termenul din componenţa tensiunii de ieşire

proporţional cu tensiunea de intrare să fie mai mic decât în cazul ieșirii în gol. Astfel, în zona de limitare, nivelurile de

tensiune sunt mai puțin afectate de tensiunea de intrare decât în cazul ieșirii în gol.

Rezultatele obţinute în cazul ieşirii în gol rămân valabile pentru circuitele care îndeplinesc condiţiile:

RR L şi dz rrR . În acest caz, relaţiile (1), (2) şi (3) devin: io uu ;

UUu 0Zo ;

UUu 0Zo .