برق , مهندسی 1998 بازدید

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 $$+0.7$$ ولت باشد (این مقدار، برای دیود ژرمانیوم $$0.3$$ ولت است).

مدار برش دیودی مثبت

وقتی این اتفاق می‌افتد، دیود شروع به هدایت می‌کند و ولتاژ دو سر آن ثابت و به اندازه $$0.7$$ ولت 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 $$0.7$$ ولت 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 $$-0.7$$ ولت، 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.

مدار برش دیودی منفی

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 $$D_1$$ نیم سیکل‌های مثبت شکل موج ورودی سینوسی را می‌بُرد، در حالی که دیود $$D_2$$ نیم سیکل منفی را برش می‌دهد.

برش هر دو نیم سیکل شکل موج

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 $$+0.7$$ و $$-0.7$$ ولت رخ دهد. اما می‌توانیم این ولتاژ $$\pm 0.7$$ ولت را به هر مقدار دلخواهی و تا حداکثر مقدار ولتاژ‌ پیک ($$ V_{PEAK}$$) 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 $$V _ {BIAS}$$ به 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 $$V_{BIAS}+0.7$$ ولت باشد. برای مثال، اگر سطح ولتاژ $$V_{BIAS}$$ در مقدار $$4$$ ولت تنظیم شده باشد، وقتی یک ولتاژ سینوسی را به ترمینال آند متصل کنیم، مقدار آن باید بزرگتر از $$4+0.7$$ ولت باشد تا دیود بایاس مستقیم شود. ولتاژهای بالاتر از این مقدار بایاس، توسط مدار بریده می‌شود.

مدار برش دیودی با بایاس مثبت

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 $$-V_{BIAS}-0.7$$ برش می‌دهد.

مدار برش دیودی با بایاس منفی

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 $$6$$‌ ولت و ولتاژ بایاس منفی دیود دیگر، $$6$$ ولت باشد. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

برش دیودی با دو سطح بایاس مختلف

وقتی ولتاژ نیم تناوب مثبت به مقدار $$+4.7$$ ولت می‌رسد، دیود $$D_1$$ هدایت کرده و شکل موج را در $$+4.7$$ ولت محدود می‌کند. دیود $$D_2$$ تاز زمانی که ولتاژ به $$  -6.7$$ ولت نرسد، هدایت نمی‌کند. بنابراین، همه ولتاژهای مثبت برگتر از $$ +4.7 $$ ولت و ولتاژهای منفی کوچکتر از $$-6.7$$ ولت 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 $$0.7$$ ولت 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 $$V_Z$$ ثابت باقی می‌ماند؛ حتی اگر جریان زنر $$I_Z$$ تغییر کند.

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

برش دیود زنر

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 $$V_{ZD_1}$$ بریده می‌شود. در نیم تناوب‌های منفی، دیود زنر مانند یک دیود معمولی با مقدار ولتاژ پیوند $$0.7$$ ولت 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.

برش دید زنر تمام موج

شکل موج خروجی مدارهای برش دیودی تمام موج زنر، مشابه مدار برش دیودی بایاس شده است. شکل موج خروجی، در ولتاژ زنر به اضافه $$0.7$$ ولت افت ولتاژ مستقیم دیود دیگر بریده خواهد شد. برای مثال، نیم تناوب مثبت در مجموع ولتاژ دیود زنر $$ZD_1$$ به اضافه $$0.7$$ ولت از دیود $$ZD_2$$ بریده 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 $$2.4$$ تا $$33$$ ولت و تلورانس $$1$$ تا $$5$$ 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 ($$R_1$$) 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.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

سید سراج حمیدی

«سید سراج حمیدی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه سیستم‌های فتوولتائیک و کاربردهای کنترل در قدرت بوده و، در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق و ریاضیات مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 2 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

2 نظر در “مدار برش دیودی — به زبان ساده

  1. سلام و خسته نباشید
    ممنون از این مطلبتون
    آخر مطلب که گفتید
    ” متداول‌ترین کاربرد یک «دیود برش»، به عنوان یک دیود هرزگرد موازی با بار القایی برای حفاظت ترانزیستور سوئیچینگ از حالت گذرای ولتاژ معکوس است”
    منظورتون همون دیودی هست که بین کلکتور و امیتر ترانزیستور قرار میگیره
    یکم توضیح بیشتری میدهید

    1. سلام. از توجهتان سپاس‌گزاریم. یک بار القایی (مانند موتور، سلف و…) را در نظر بگیرید. برای قطع و وصل این بار، یک ترانزیستور قدرت را با آن سری می‌کنیم. هنگام قطع مدار توسط ترانزیستور، جریان به طور ناگهانی کاهش می‌یابد و به همین دلیل یک ولتاژ بزرگ در بار القا می‌شود که پلاریته‌اش معکوس پلاریته عادی بار در مدار است. این ولتاژ القایی بزرگ، سبب مواردی چون آسیب دیدن ترانزیستور می‌شود. برای جلوگیری از این اتفاق، یک دیود را با بار موازی می‌کنیم (با پلاریته معکوس). در نتیجه، مسیری برای تخلیه انرژی ناگهانی بار به وجود می‌آید. این دیود، دیود هرزگرد نامیده می‌شود. البته دیود هرزگرد بین کلکتور و امیتر نیز کاربرد مشابهی دارد و برای حفاظت از ترانزیستور به کار می‌رود.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *