آشنایی با مدار برش دیودی

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، مدار برش دیودی نسخه‌ای مسطح و بریده از شکل موج ورودی را در خروجی تولید می‌کند. برای مثال، یکسوساز نیم موج، یک مدار برش است، زیرا ولتاژ‌های کوچکتر از صفر را حذف می‌کند.

مدار‌های برش دیودی را می‌توان در کاربرد‌های متنوعی برای اصلاح شکل موج ورودی با استفاده از دیود‌های سیگنال و شاتکی یا برای حفاظت اضافه ولتاژ با استفاده از دیود زنر برای تضمین عدم عبور ولتاژ خروجی از مقدار معین مورد استفاده قرار داد.

اگرچه ولتاژ ورودی یک مدار برش دیودی می‌تواند هر شکل موجی داشته باشد، اما در این‌جا فرض می‌کنیم ولتاژ ورودی سینوسی است.

مدار برش دیودی مثبت

در این مدار برش دیودی، دیود در نیم سیکل مثبت از شکل موج ورودی سینوسی، بایاس مستقیم شده است (آند نسبت به کاتد مثبت‌تر است). برای آنکه دیود بایاس مستقیم شود، اندازه ولتاژ آن باید بزرگتر از +۰.۷ولت باشد (این مقدار، برای دیود ژرمانیوم ۰.۳ولت است).



وقتی این اتفاق می‌افتد، دیود شروع به هدایت می‌کند و ولتاژ دو سر آن ثابت و به اندازه ۰.۷ولت خواهد بود. این اتفاق، تا زمانی ادامه دارد که شکل موج سینوسی به اندازه‌ای کمتر از این مقدار برسد. بنابراین، ولتاژ خروجی که دو سر دیود می‌افتد، در طول نیم سیکل مثبت نباید از ۰.۷ولت عبور کند.

در طول نیم سیکل منفی، دیود بایاس منفی شده (کاتد مثبت‌تر از آند است) و جریان را سد می‌کند. در نتیجه، در نیم سیکل منفی شکل موج ورودی در خروجی تکرار می‌شود. در نتیجه، دیود نیم سیکل مثبت شکل موج ورودی را محدود می‌کند. به همین دلیل به عنوان یک مدار برش مثبت شناخته می‌شود.

مدار برش دیودی منفی

در این حالت، عکس حالت قبل رخ می‌دهد. دیود در نیم سیکل منفی بایاس مستقیم شده و در ولتاژ −۰.۷ولت، شکل موج را می‌بُرد. در حالی که نیم سیکل مثبت را از خود عبور می‌دهد. از آنجایی که دیود نیم سیکل‌های منفی را محدود می‌کند، مدار برش منفی نامیده می‌شود.

 

برش هر دو نیم سیکل شکل موج

اگر دو دیود را به صورت معکوس و موازی به یکدیگر متصل کنیم، آن‌گاه هر دو نیم تناوب مثبت و منفی بریده می‌شود، زیرا دیود D۱نیم سیکل‌های مثبت شکل موج ورودی سینوسی را می‌بُرد، در حالی که دیود D۲نیم سیکل منفی را برش می‌دهد.



در دیود‌های ایده‌آل، شکل موج خروجی بالا، برابر با صفر خواهد بود. هرچند، طی بایاس مستقیم، افت ولتاژ دو سر دیود سبب می‌شود برش در ولتاژ‌های +۰.۷و −۰.۷ ولت رخ دهد. اما می‌توانیم این ولتاژ ±۰.۷ ولت را به هر مقدار دلخواهی و تا حداکثر مقدار ولتاژ پیک (VPEAK) افزایش دهیم. این کار با اتصال سری دیود‌های بیشتر و یا افزودن یک ولتاژ بایاس به دیود‌ها امکان‌پذیر است.

مدار‌های برش دیودی بایاس شده

برای تولید مدار‌های برش دیودی در سطوح مختلف، مطابق شکل زیر، یک ولتاژ بایاس VBIASبه صورت سری با دیود قرار داده می‌شود. ولتاژی که به دو سر ترکیب سری دیود و ولتاژ بایاس (باتری) اعمال می‌شود، باید بزرگتر از مقدار VBIAS+۰.۷ ولت باشد. برای مثال، اگر سطح ولتاژ VBIAS در مقدار ۴ ولت تنظیم شده باشد، وقتی یک ولتاژ سینوسی را به ترمینال آند متصل کنیم، مقدار آن باید بزرگتر از ۴+۰.۷ولت باشد تا دیود بایاس مستقیم شود. ولتاژ‌های بالاتر از این مقدار بایاس، توسط مدار بریده می‌شود.

به طریق مشابه، با برعکس کردن دیود و سری کردن آن با ولتاژ بایاس باتری، وقتی دیود نیم سیکل منفی را هدایت می‌کند، آن را در ولتاژ −VBIAS−۰.۷برش می‌دهد.

‌
می‌توان یک برش دیودی متغیر را با تغییر ولتاژ بایاس دیود‌ها ساخت. اگر لازم باشد هر دو نیم سیکل مثبت و منفی را ببُریم، باید از دو دیود برش بایاس شده استفاده کنیم. در این حالت، برابر بودن ولتاژ بایاس هر دو دیود ضروری نیست. برای مثال، ولتاژ بایاس مثبت یکی از دیود‌ها می‌تواند ۶ولت و ولتاژ بایاس منفی دیود دیگر، ۶ولت باشد. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.



وقتی ولتاژ نیم تناوب مثبت به مقدار +۴.۷ولت می‌رسد، دیود D۱ هدایت کرده و شکل موج را در +۴.۷ ولت محدود می‌کند. دیود D۲ تاز زمانی که ولتاژ به −۶.۷ ولت نرسد، هدایت نمی‌کند. بنابراین، همه ولتاژ‌های مثبت برگتر از +۴.۷ ولت و ولتاژ‌های منفی کوچکتر از −۶.۷ولت به صورت خودکار محدود می‌شود.

مزیت مدار‌های برش دیودی بایاس شده این است که از عبور سیگنال خروجی از محدوه‌های مورد نظر در هر دو نیم تناوب مثبت و منفی جلوگیری می‌کنند. شکل موج ورودی این مدارها، ممکن است سیگنال یک سنسور دارای نویز یا خروجی مثبت یا منفی یک منبع باشد.

اگر سطوح برش دیود در اندازه بسیار کم تنظیم شده باشد یا شکل موج ورودی بسیار بزرگ باشد، آن‌گاه حذف هر دو پیک شکل موج می‌تواند به یک شکل موج مربعی منجر شود.

مدار‌های برش دیود زنر

استفاده از یک ولتاژ بایاس، به این معنی است که مقداری از شکل موج ولتاژ را که بریده می‌شود، می‌توان به صورت دقیق کنترل کرد. اما یکی از معایب اصلی استفاده از مدار‌های برش دیودی بایاس شده، این است که به یک منبع باتری emf اضافه نیاز دارند.

یک راه ساده برای ساخت مدار‌های برش دیودی بایاس شده بدون استفاده از منبع باتری اضافه، این است که از دیود‌های زنر استفاده کنیم.

همان‌طور که می‌دانیم، دیود زنر نوعی دیود است که برای کار در ناحیه شکست بایاس معکوس ساخته شده است و می‌توان از آن برای تنظیم ولتاژ یا کاربرد مدار‌های برش استفاده کرد. در ناحیه بایاس مستقیم، وقتی دیود زنر جریان را از خود عبور می‌دهد، مانند یک دیود معمولی سیلیکونی با افت ولتاژ مستقیم ۰.۷ولت کار می‌کند.

هرچند، در ناحیه بایاس معکوس، تا زمانی که دیود زنر به ولتاژ ناحیه شکست برسد، ولتاژ سد می‌شود. در این نقطه، جریان معکوس دیود سریعاً افزایش می‌یابد، اما ولتاژ زنر VZثابت باقی می‌ماند؛ حتی اگر جریان زنر IZتغییر کند.

در نتیجه، می‌توانیم از این ویژگی دیود زنر برای برش شکل موج استفاده کنیم.



دیود زنر مانند یک مدار برش دیود بایاس شده، با ولتاژ بایاسی برابر با ولتاژ شکست زنر عمل می‌کند. در این مدار، در نیم موج‌های مثبت شکل موج، دیود زنر بایاس معکوس شده و شکل موج در ولتاژ زنر VZD۱بریده می‌شود. در نیم تناوب‌های منفی، دیود زنر مانند یک دیود معمولی با مقدار ولتاژ پیوند ۰.۷ولت عمل می‌کند.
‌
می‌توان ایده بالا را با استفاده از مشخصه ولتاژ معکوس دیود‌های زنر برای برش هر دو نیم تناوب یک شکل موج، مطابق شکل زیر تعمیم داد.



شکل موج خروجی مدار‌های برش دیودی تمام موج زنر، مشابه مدار برش دیودی بایاس شده است. شکل موج خروجی، در ولتاژ زنر به اضافه ۰.۷ولت افت ولتاژ مستقیم دیود دیگر بریده خواهد شد. برای مثال، نیم تناوب مثبت در مجموع ولتاژ دیود زنر ZD۱ به اضافه ۰.۷ ولت از دیود ZD۲بریده می‌شود. این موضوع، برای نیم سیکل‌های منفی، برعکس است.

دیود‌های زنر در محدوده ولتاژ‌های مختلفی ساخته می‌شوند و می‌توان برای مراجع ولتاژ مختلفی روی هر نیم سیکل از آن‌ها استفاده کرد. این دیود‌ها با ولتاژ شکست زنر از ۲.۴تا ۳۳ ولت و تلورانس ۱ تا ۵ درصد موجود هستند. توجه کنید که وقتی دیود در ناحیه شکست معکوس هدایت می‌کند، همه جریان از آن می‌گذرد؛ بنابراین، باید از یک مقاومت محدودکننده جریان (R۱) نیز استفاده کرد.

جمع‌بندی

دیود‌ها علاوه بر اینکه می‌توانند به عنوان یکسوساز مورد استفاده قرار گیرند، برای برش بالا یا پایین یک شکل موج در یک سطح dc مشخص (برای داشتن خروجی بدون اعوجاج) به کار می‌روند. در مثال‌هایی که بیان شد، فرض کردیم شکل موج سینوسی است، اما در حالت تئوری، ورودی با هر شکلی می‌تواند به کار رود.

مدار‌های برش دیودی، برای حذف نویز دامنه یا جهش ولتاژ، تنظیم ولتاژ یا تولید شکل موج‌های جدید از سیگنال‌های موجود به کار می‌روند.

متداول‌ترین کاربرد یک «دیود برش»، به عنوان یک دیود هرزگرد موازی با بار القایی برای حفاظت ترانزیستور سوئیچینگ از حالت گذرای ولتاژ معکوس است.

 

منبع: فرادرس