Circuits Clipper de mise en forme d'onde non linéaire

Circuits d'impulsions à semi-conducteurs

Les circuits non linéaires d'ondes sont des circuits qui incorporent au moins un dispositif non linéaire, un composant de circuit dans lequel la courbe caractéristique de Volt-Ampère n'est pas une ligne droite.

Les composants non linéaires les plus courants sont la diode de jonction semi-conductrice et les dispositifs à trois éléments semi-conducteurs (exemple - le transistor). Ces composants présentent des courbes caractéristiques exponentielles de Volt-Ampère.

4.1 Définition d'un circuit de clipper

Le circuit Clipper est une forme courante du circuit dehaping d'onde non linéaire.

Soit il restreint l'amplitude d'une tension et/ou de la forme d'onde de courant à une valeur finie, soit il coupe le pic positif ou négatif d'une forme d'onde de tension et/ou de courant à une valeur finie.

Reportez-vous à la figure 4-1.

Figure 4-1 Clipper Circuit

Techniquement, le circuit qui restreint (ou limite) l'amplitude d'une forme d'onde de tension et/ou de courant est appelé limiteur, tandis que celui qui coupe (ou clips) le pic positif ou négatif d'une forme d'onde de tension et/ou de courant est appelé un circuit de clipper.

Dans ce dernier circuit, ce ne sont que les pics coupés qui deviennent la tension de sortie.

Pratiquement, cependant, les deux types de circuits d'ondes sont appelés interchangeables dans les circuits limités ou de clipper.

Dans ce texte, chacun sera appelé un «circuit de clipper».

La forme d'onde d'entrée-tension vers un circuit de clipper peut avoir n'importe quelle forme d'onde de tension. Ce qui est sélectionné pour l'illustration de la figure 4-1 est une onde sinusoïdale.

Les circuits Clipper sont classés en fonction de l'élément actif qu'ils utilisent. Les deux types les plus courants sont ceux qui utilisent la diode semi-conductrice et ceux qui utilisent le transistor.

Les circuits de clipper de diode sont en outre classés en fonction du placement de la diode dans le circuit. Ce placement détermine si le circuit est une diode en série ou un circuit de clipper de shunt-diode.

Le fonctionnement d'un circuit de clipper, dans lequel une diode pratique de jonction semi-conductrice est utilisée est différente du fonctionnement hypothétique du même circuit dans lequel une diode idéale est supposée être utilisée.

4.2 Semi-conducteur idéal la Diode

La diode de jonction semi-conductrice est l'élément de circuit le plus simple qui peut être utilisé comme commutateur. La diode idéale peut être considérée comme un simple interrupteur de marche.

Reportez-vous à la figure 4-2 (a).

Figure 4-2 Caractéristique de l'interrupteur de l'interrupteur

La courbe caractéristique Volt-Ampère d'une diode de jonction idéale est représentée sur la figure 4-2 (b).

L'action de commutation de la diode de jonction est déterminée par la polarité de la tension appliquée à travers la diode.

Lorsque ce dernier est biaisé en avant au-delà du potentiel de barrière, il agit comme un interrupteur fermé ; lorsqu'il est biaisé inversé, il agit comme un interrupteur ouvert.

4.3 Circuit de clipper (idéal) de la série (idéale)

Reportez-vous à la figure 4-3.

Figure 4-3 Circuit de clipper de diode en série

Le schéma est identique à celui du circuit de redresseur de tension demi-onde. Lorsque ce circuit est utilisé dans l'étude des circuits d'impulsion, il est appelé circuit de clipper de diode en série.

Il fonctionne sur ce qui suit ces principes:

Lorsqu'il y a un flux de courant à travers la résistance, il y a une tension de sortie à travers la résistance R.

Lorsque la diode est biaisée vers l'avant, et donc agissant comme un interrupteur fermé, il y a un flux de courant à travers la résistance.

Par conséquent, le demi-cycle positif de la tension d'entrée biaisant la diode; par conséquent, la tension appliquée apparaît efficacement à travers la résistance R.

Pendant le demi-cycle négatif, la diode est biaisée inverse et agit comme un interrupteur ouvert; par conséquent, aucun courant ne circule à travers la résistance R et, à son tour, il n'y a pas de chute de tension à travers.

La forme d'onde de sortie-tension résultante est illustrée sur la figure 4-3.

4.4 Circuit de clipper de shunt-diode (idéal)

Reportez-vous au circuit Clipper Shunt-Diode illustré à la figure 4-4.

Figure 4-4 Shunt-Diode Clipper Circuit

Dans ce circuit, il ne peut y avoir de tension de sortie que lorsque la diode (agissant comme un commutateur) ne conduit pas.

Lorsque la diode conduit, elle agit comme un court-circuit à la sortie; par conséquent, la tension de sortie est alors nulle. La forme d'onde de sortie-tension résultante est illustrée sur la figure 4-4.

4.5 Diode de jonction semi-conducteur pratique

Reportez-vous à la figure 4-5.

Figure 4-5 Diode de jonction pratique

Comparez cette courbe caractéristique volt-ampère pour une diode à jonction pratique avec la courbe caractéristique volt-ampère de diode à jonction idéale illustrée à la Fig. 4-2.

La diode pratique n'est pas fortement conductrice pour de très petites valeurs de polarisation directe (par exemple 0,1 V). Cela est dû au potentiel de barrière formé lors de la fabrication de la diode.

Si la polarisation directe dépasse le potentiel de barrière, le courant sera élevé mais pas infini. La diode présente donc une certaine résistance lorsqu’elle est conductrice.

Cette résistance est appelée résistance directe continue de la diode. Elle est symbolisée Rf et exprimée en ohms.

Lorsque la diode pratique est polarisée en inverse, une très petite quantité de courant circule. L'amplitude du courant est de l'ordre du nanoampère ou, tout au plus, du microampère pour la diode au silicium normale utilisée dans les circuits de commutation.

Par conséquent, la diode de jonction pratique présente une résistance très élevée lorsqu'elle est polarisée en inverse. Cette résistance est appelée résistance inverse continue de la diode. Elle est symbolisée Rr et exprimée en ohms.

La courbe caractéristique voltampère de la diode à jonction pratique est exprimée par l'équation. 17. Lorsque les signes appropriés sont utilisés, cette équation est valable pour le flux de courant direct et inverse.

Diode Eq. [17]

I = courant traversant la diode (A)

Ir = courant de saturation inverse à la tension nominale de polarisation inverse de la diode (A)

ε = une constante, 2,718 (base du logarithme napiérien)

q = la charge d'un électron = 1,602 X 10-19 coulomb (C)

K = constante de Boltzmann, 1,38 X 10-23 joules par degré centigrade

T = température absolue en degrés Kelvin (K°)

V = tension appliquée aux bornes de la diode (V)

kT/q = 26 mV à 25°C (idéal)

Dans l'équation. 17, le courant de la diode varie avec la tension appliquée et la température. Les autres paramètres de l'équation sont des constantes.

Le courant de la diode est égal au courant de saturation inverse dans les limites de la tension nominale inverse de la diode, lorsqu'une polarisation inverse est appliquée. Le courant de diode inverse varie cependant avec la température.

Reportez-vous à la figure 4-3.

Rappelons que ce circuit clipper de base est schématiquement simple mais en pratique il est assez complexe. Cette complexité est le résultat de la résistance de la diode, grande lorsqu'elle est polarisée en inverse et petite lorsqu'elle est polarisée en direct.

Bien qu'il incombe à l'ingénieur de concevoir le circuit, le technicien doit comprendre son fonctionnement et ses limites et déterminer une valeur de fonctionnement pour la résistance R.

4.6 CIRCUIT PRATIQUE CLIPPER À DIODE

Dans le circuit pratique d'écrêteur de diode illustré à la figure 4-3, la valeur de la résistance R doit satisfaire deux conditions de circuit complètement divergentes.

Ceux-ci sont:

1. L'amplitude de la tension de sortie doit être égale à l'amplitude de la tension d'entrée lorsque la diode est polarisée en direct.

2. L'amplitude de la tension de sortie doit être nulle lorsque la diode est polarisée en inverse.

Parce que la résistance de la diode, lorsque celle-ci est polarisée en direct, est faible et que la résistance R est en série avec la diode, le circuit est celui d'un simple diviseur de tension série.

Pour que la tension de sortie soit égale à la tension d'entrée, la valeur de R doit être sensiblement supérieure à la résistance de la diode. Par conséquent, lorsque la diode est polarisée en direct, la valeur de R doit être grande.

Parce que la résistance de la diode, lorsque celle-ci est polarisée en inverse, est grande et que la résistance R est en série avec la diode, le circuit est celui d'un simple diviseur de tension série.

Pour que la tension de sortie soit égale à zéro, la valeur de R doit être sensiblement inférieure à la résistance de la diode. Par conséquent, lorsque la diode est polarisée en inverse, la valeur de R doit être faible.

Puisqu’aucune de ces conditions ne peut être satisfaite dans le circuit pratique, une valeur de compromis pour R doit être utilisée.

Pour déterminer cette valeur, recherchez la moyenne géométrique de la résistance directe de la diode (symbolisée Rf) et de la résistance inverse de la diode (symbolisée Rr).

L'équation 18 exprime cette relation.

R = (RfRr)½ (½ = Radical)

R = résistance de la résistance à utiliser dans le circuit clipper à diode (Ω)

Rt = résistance directe de la diode (Ω)

Rf = résistance inverse de la diode (Ω)

Pour appliquer cette équation à un problème de circuit spécifique, déterminez les valeurs numériques de la résistance directe (Rf) et de la résistance inverse (Rr) d'une diode spécifique.

Reportez-vous à la figure 4-6 qui représente une approximation en ligne droite de la courbe caractéristique voltampère d'une diode à jonction semi-conductrice.

Figure 4-6 Caractéristiques Volt-Ampère de la diode de jonction (idéalisée)

La résistance directe de la diode peut être approchée par la détermination de l'inverse de la pente de la partie polarisée en direct de la courbe caractéristique de la diode.

La solution pour Rf, exprimée mathématiquement, est Rf = Δf/ΔIf.

Supposons que le point 2 de la figure 4-6 soit à courant nul et à tension nulle.

Les valeurs du point 1 peuvent être constatées à partir de la fiche technique du fabricant.

Pour la diode 1N914. Ce sont IF = 10 mA et VF = 1 V DC.

Ainsi:

La résistance inverse de la diode peut être approchée en déterminant l'inverse de la pente de la partie polarisée en inverse de la courbe caractéristique de la diode.

La solution pour Rr, exprimée mathématiquement, est Rr « ΔVr/ΔIr.

Supposons que le point 3 de la figure 4-6 soit à courant nul et à tension nulle. Les valeurs du point 4 peuvent être déterminées à partir de la fiche technique.

Ce sont Ir = 5 µA et VR = 75 V.

D'où :

Après avoir ainsi établi les valeurs numériques de Rf et RT) pour une diode spécifique, la valeur de la résistance R peut être déterminée à l'aide de l'équation. 18.

R = 39 kΩ - valeur standard la plus proche

La détermination de R par l'utilisation de cette méthode est approximative, mais pratique pour le technicien.

 L'ingénieur détermine plus précisément la valeur de R en utilisant l'équation de la diode (équation 17). Pour être conscient de la complexité du circuit, le technicien doit être familier avec l'équation de la diode.

4.7 CLIPPER À DIODE SHUNT BIAISÉE

Reportez-vous à la figure 4-7 (a), un schéma d'un clipper de diode shunt-diode biaisé.

Figure 4-7 Clipper de shunt biaisé

Dans ce circuit, lorsque la diode D est biaisée vers l'avant (agissant comme un interrupteur fermé), la tension de sortie est égale à la tension de la batterie (+EV).

Lorsque la diode D est biaisée inverse (agissant comme un interrupteur ouvert), la tension de sortie est égale à la tension d'entrée.

Si aucune tension d'entrée n'est appliquée et que la source de signal n'a une résistance nulle, la tension de la batterie E est inverse biais la diode. Par conséquent, la tension de sortie est égale à la tension d'entrée, c'est-à-dire zéro volts.

Pendant le demi-cycle négatif de l'entrée, la tension de signal est en série aidant par rapport à la tension de la batterie E. La tension de la batterie E est d'une polarité pour inverser la diode de biais D.

Par conséquent, toute augmentation de l'amplitude de la tension du biais inverse maintiendra l'état de l'interrupteur ouvert de la diode. Par conséquent, la tension de sortie égalera la tension d'entrée pendant le demi-cycle négatif.

Pendant le demi-cycle positif de l'entrée, la tension du signal est en opposition en série par rapport à la tension de la batterie E.

Le biais appliqué à travers la diode est égal à la différence entre la tension du signal et la tension de la batterie et a la polarité de la plus grande tension .

Par conséquent, la sortie est égale à l'entrée lorsque l'entrée est égale ou inférieure à la tension de la batterie E.

 Lorsque l'entrée est supérieure à la tension de la batterie, la diode est biaisée vers l'avant (agissant comme un interrupteur fermé); Par conséquent, la tension de sortie est égale à la tension de la batterie E. La tension de sortie résultante est représentée sur la figure 4-7 (c).

Une diode Zener peut être utilisée pour remplacer la batterie E dans le circuit de clipper Shunt-Diode sur la figure 4-7 (a). Le circuit de diode Zener résultant est illustré sur la figure 4-7 (b). Qui a une chute de tension constante à travers elle.

La tension de sortie est constante et l'amplitude est égale à la tension Zener. La figure 4-7 (c) illustre cette forme d'onde de tension de sortie résultante. Il a été supposé dans cet exemple que la tension de la batterie est égale à la tension Zener.

En général, pour garantir une action de coupure nette dans un circuit de clipper, la non-linéarité de la diode doit être surmontée. Pour ce faire, l'amplitude de la tension d'entrée doit dépasser considérablement le potentiel de barrière de la diode.

Le technicien doit être conscient des inconvénients des circuits de clipper de diode.

Lorsque la diode dans un circuit de clipper série est biaisée ou désactivée, la capacité de jonction de la diode le fait fonctionner comme un condensateur de couplage qui transmet des signaux de tension haute fréquence lorsque la diode est désactivée.

Le circuit Clipper Shunt-Diode a également un désavantage.

Lorsque la diode est désactivée, dans un circuit de clipper de diode shunt, la capacité de jonction de la diode le fait fonctionner comme un chemin à faible impédance vers les composants à haute fréquence. Par conséquent, les coins de la forme d'onde de tension de sortie sont arrondis.

Certaines fonctions du circuit Clipper sont l'élimination des pointes de tension indésirables ; le carré des vagues carrées détériorées ; et la comparaison de deux tensions, dans quelle capacité le circuit est appelé comparaison de tension ou circuit de comparaison.

Expérience de laboratoire

Circuits Clipper - Circuits de pivot

OBJECTIF:

1. Analyser les séries et shunt Clipper Circuits et illustrer comment les circuits pratiques vérifient la théorie

2. Pour analyser le circuit de clipper de diode biaisé

3. Pour analyser le fonctionnement de la diode Zener comme tension de référence

MATÉRIEL:

1 générateur d'ondes sinusoïdales (20 Hz à 200 kHz)

1 oscilloscope, base de temps CC; Réponse en fréquence DC à 450 kHz; Sensibilité verticale, 100 mV / cm

2 Diodes de jonction de silicium avec fiche de spécification du fabricant (exemple - 1N914 ou équivalent)

2 Diodes de silicium Zener avec la fiche de spécification du fabricant (exemple - 1N4728: 3,3 V, 1 W ou équivalent)

2 alimentations de transistor (0 à 30 V) ou batteries équivalentes

1 boîte de substitution résistante (10 Ω à 10 MΩ, 1 w)

PROCÉDURE:

Figure 4-1x

1. Déterminez la valeur de la résistance dans les circuits de clipper de la figure 4-1x.

(a) Déterminer la valeur de Rr et Rf à partir de la fiche de spécification du fabricant.

(b) Remplacez les valeurs numériques obtenues à l'étape A par Rr et Rf dans l'équation 18, afin de déterminer la valeur de R.

2. Connectez le circuit 1 sur la figure 4-1x. Pour une utilisation dans ce circuit, sélectionnez une résistance de couleur couleur standard, dont la valeur est la plus proche de celle déterminée à l'étape 1.

3. Appliquer une entrée d'onde sinusoïdale de 4 V RMS à une fréquence de 1000 Hz.

4. Dessinez un schéma du circuit sur du papier graphique.

5. Mesurez la forme d'onde d'entrée-tension et de sortie-tension affichée sur l'oscilloscope DC.

Sur le papier graphique, dessinez la forme d'onde d'entrée-tension et, en dessous, vers la même base de temps, dessinez la forme d'onde de tension de sortie qu'il apparaîtrait sur un oscilloscope DC. Étiquetez toutes les tensions pertinentes.

6. En détail, expliquez comment la théorie justifie la fonction du circuit. Quels facteurs ont déterminé la forme de la forme d'onde de tension de sortie résultante?

7. Pour les circuits 2 à 13, répétez les étapes 3 à 6.

Questions et exercices

1. Dessinez le schéma d'un circuit de clipper série qui produira la même tension de sortie résultante que celle produite par le circuit 5 sur la figure 4-lx.

2. Répétez le problème 1 pour le circuit 6.

3. Répétez le problème 1 pour le circuit 7.

4. Répétez le problème 1 pour le circuit 8.

5. Comment la tension de sortie du circuit 8 se compare-t-elle à la tension de sortie du circuit 9? Expliquer.

6. Expliquez pourquoi la valeur de la résistance directe d'une diode de jonction n'est pas constante.

7. La solution pour la valeur appropriée de la résistance à utiliser dans un circuit de clipper présente un problème. Qu'est-ce que c'est et comment est-il résolu?

8. Quel est le principal inconvénient d'un circuit de clipper shunt-diode?

9. À quel point une diode Zener est-elle similaire à une batterie?

10. Dans quelle condition de circuit une diode Zener effectuera-t-elle en tant que batterie?

11. Déterminez la valeur appropriée de la résistance R à utiliser dans un circuit de clipper utilisant une diode de silicium 1N916B.