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