Limitatoare de amplitudine

Limitatoare de amplitudine

Limitatoarele de amplitudine realizeaza functia de limitare a tensiunii de iesire la o valoare prescrisa. Astfel de circuite sunt utilizate pentru schimbarea formei semnalelor si pentru protectia dispozitivelor electronice de putere, a intrarilor sau a iesirilor circuitelor electronice, a aparatelor electronice de masurare. La realizarea limitatoarelor de amplitudine, se folosesc diode redresoare si/sau stabilizatoare de tensiune. In functie de tipul si de numarul diodelor din structura, circuitul va avea un numar de praguri de limitare, respectiv nivele de limitare. Dupa numarul de praguri/nivele de limitare, aceste circuite electronice se clasifica in:

limitatoare de amplitudine cu un prag/nivel de limitare;

limitatoare de amplitudine cu doua praguri/nivele de limitare, simetrice sau asimetrice.

Un limitator cu doua nivele de limitare este denumit limitator bilateral. De asemenea, pentru limitatoarele cu un nivel de limitare, se utilizeaza si denumirea de limitatoare unilaterale.

In analiza limitatoarelor de amplitudine, va fi considerat numai cazul semnalelor mari de intrare, de frecvente joase, ipoteza care va permite utilizarea modelelor liniare pe portiuni ale diodelor. Presupunand ca tensiunea de intrare are o variatie oarecare in timp si ca iesirea circuitului este in gol, va fi dedusa caracteristica statica de transfer, pentru fiecare configuratie prezentata.

Circuitul din fig. 33a este un limitator de amplitudine, realizat cu o dioda redresoare, cu un singur prag/nivel de limitare. Atunci cand tensiunea de intrare este pozitiva si , dioda este in conductie. Din circuitul echivalent al limitatorului, dat in fig. 33b, se obtine relatia

(108)

Daca , relatia (108) devine

(109)

Atunci cand , dioda este blocata (fig. 33c) si tensiunea de iesire urmareste tensiunea de intrare. In acest caz, relatia iesire-intrare este

(110)

Fig. 33. Limitator cu o dioda redresoare: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei blocate

Fig. 34. a. Caracteristica statica de transfer a limitatorului de amplitudine din fig. 33a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

Caracteristica statica de transfer, , se obtine prin asamblarea solutiilor (109) si (110). Reprezentarea grafica din fig. 34a evidentiaza pragul de limitare/nivelul de limitare al circuitului: . In fig. 34b, este reprezentata forma de unda a tensiunii de iesire, pentru o variatie precizata a tensiunii de intrare. Circuitul cu configuratia prezentata suprima partile inalte ale semnalului de intrare, astfel ca tensiunea de iesire va avea intotdeauna amplitudinea limitata superior la nivelul . Valoarea si polaritatea tensiunii continue afecteaza direct pragul si nivelul de limitare. De exemplu, prin eliminarea sursei de tensiune continua din circuit, pragul de limitare al tensiunii de intrare si nivelul de limitare al amplitudinii tensiunii de iesire scad la . De

asemenea, inversarea conexiunii diodei sau plasarea acesteia in serie cu sursa de tensiune de intrare conduce la o noua configuratie de limitator (fig. 35a si 37a).

Fig. 35. Limitator cu o dioda redresoare: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei blocate

Analiza circuitului limitator din fig. 35a conduce la urmatoarele rezultate:

- atunci cand , dioda este in conductie (circuitul echivalent din fig. 35b) si

(111)

sau

(112)

daca

- atunci cand , dioda este blocata (circuitul echivalent din fig. 35c) si tensiunea de iesire urmareste tensiunea de intrare, adica

(113)

Caracteristica statica de transfer a limitatorului este prezentata in fig. 36a, iar formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire sunt date in fig. 36b. Circuitul suprima partile joase ale semnalului de intrare.

Fig. 36. a. Caracteristica statica de transfer a limitatorului de amplitudine din fig. 35a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

Circuitul de limitare din fig. 37a realizeaza aceeasi functie ca si configuratia precedenta, deosebirea constand doar in pragul de limitare/nivelul de limitare.

Fig. 37. Limitator cu o dioda redresoare: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei blocate

Dioda este in conductie atunci cand semnalul de intrare indeplineste conditia (circuitul echivalent din fig. 37b), caz in care

(114)

sau, pentru

(115)

Dioda este blocata atunci cand (circuitul echivalent din fig. 37c). In acest caz,

(116)

Fig. 38. a. Caracteristica statica de transfer a limitatorului de amplitudine din fig. 37a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

Caracteristica statica de transfer a limitatorului este prezentata in fig. 38a, iar formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire sunt date in fig. 38b. Circuitul suprima partile joase ale semnalului de intrare. Nivelul de limitare inferioara si pragul de la care incepe limitarea amplitudinii semnalului de intrare sunt diferite:

Limitatoarele bilaterale pot fi realizate cu diode redresoare sau cu diode stabilizatoare de tensiune. Pentru configuratia limitatorului cu doua diode redresoare, data in fig. 39a, se presupune ca cele doua diode au caracteristici electrice identice. Circuitul are doua praguri de limitare, care fixeaza si nivelele de limitare.

Caracteristica statica de transfer are trei regiuni, delimitate astfel:

- atunci cand , dioda este in conductie si dioda este blocata (circuitul echivalent din fig. 39b) si

(117)

sau

(118)

daca

- atunci cand , dioda este in conductie si dioda este blocata (circuitul echivalent din fig. 39c) si tensiunea de iesire este

(119)

sau, pentru

(120)

- atunci cand , ambele diode sunt blocate (circuitul echivalent din fig. 39d) si tensiunea de iesire urmareste tensiunea de intrare, adica

(121)

Fig. 39. Limitator bilateral cu doua diode redresoare: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; d. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul ambelor diode blocate

Caracteristica statica de transfer, reprezentata in fig. 40a, arata ca limitatorul studiat taie atat partile inalte ale semnalului de intrare, cat si pe acelea joase (fig. 40b). Daca diodele sunt identice si , limitatorul va avea praguri si nivele simetrice de limitare:

Fig. 40. a. Caracteristica statica de transfer a limitatorului bilateral, din fig. 39a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

Prin schimbarea locului ocupat in schema, intre grupul diodelor si rezistorul , se obtine circuitul din fig. 41a. Cele trei regiuni distincte ale caracteristicii statice de transfer sunt delimitate dupa cum urmeaza:

- atunci cand , dioda este in conductie si dioda este blocata (circuitul echivalent din fig. 41b) si

(122)

sau

(123)

daca

- atunci cand , dioda este in conductie si dioda este blocata (circuitul echivalent din fig. 41c) si tensiunea de iesire este

(124)

sau, pentru

(125)

- atunci cand , ambele diode sunt blocate (circuitul echivalent din fig. 41d) si tensiunea de iesire este nula,

(126)

Caracteristica statica de transfer, reprezentata in fig. 42a, arata ca limitatorul studiat actioneaza ca o poarta inchisa pentru semnalul de intrare, daca amplitudinea acestuia se plaseaza intre cele doua praguri de limitare: . Pentru semnale mai mari decat sau mai mici decat , semnalul de iesire urmareste semnalul de intrare, dar are amplitudinea diminuata cu valorile pragurilor (fig. 42b). Circuitul cu aceasta configuratie lucreaza ca un discriminator-limitator bilateral de amplitudine. Regiunea caracteristicii cu panta nula apartine discriminatorului de amplitudine, in timp ce regiunile cu pante nenule apartin limitatorului de amplitudine. Daca diodele sunt identice si , fereastra de discriminare va fi simetrica in raport cu originea: . De asemenea, amplitudinea semnalului de intrare (pozitiv sau negativ) va fi diminuata cu aceeasi cantitate, respectiv

Fig. 41. Discriminator-limitator bilateral cu doua diode redresoare: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in conductie; d. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul ambelor diode blocate

Fig. 42. a. Caracteristica statica de transfer a discriminatorului-limitatorului bilateral, din fig. 41a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

Structura stabilizatorului parametric cu dioda poate sa functioneze ca limitator bilateral de amplitudine, daca tensiunea continua de alimentare este inlocuita cu un semnal de intrare, cu o variatie oarecare in timp (fig. 43a).

Fig. 43. Limitator bilateral cu dioda stabilizatoare de tensiune: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei blocate; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in regim de stabilizare a tensiunii; d. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in regim de conductie directa

Din analiza circuitului, rezulta ca:

- atunci cand , nici un curent nu circula prin dioda (circuitul echivalent din fig. 43b) si tensiunea de iesire urmareste tensiunea de intrare,

(127)

- pentru , dioda stabilizeaza tensiunea de la borne (circuitul echivalent din fig. 43c) si

(128)

sau, daca

(129)

- atunci cand , dioda este in conductie directa (circuitul echivalent din fig. 43d) si tensiunea de iesire este

(130)

sau, pentru

(131)

Fig. 44. a. Caracteristica statica de transfer a limitatorului bilateral asimetric, din fig. 43a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire

Caracteristica statica de transfer, reprezentata in fig. 44a, ca si relatiile (127), (129) si (131), arata ca circuitul studiat realizeaza functia de limitator bilateral cu praguri si nivele asimetrice de limitare: , . Limitarea se produce atunci cand amplitudinea semnalului de intrare se afla in afara domeniului delimitat de pragurile de limitare. Pentru scaderea celui de-al doilea prag/nivel de limitare, se introduce

o a doua dioda stabilizatoare de tensiune, in serie si in opozitie cu prima dioda, ca in fig. 45a.

Fig. 45. Limitator bilateral cu doua diode stabilizatoare de tensiune: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul ambelor diode blocate; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in regim de stabilizare a tensiunii si al diodei in regim de conductie directa; d. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in regim de conductie directa si al diodei in regim de stabilizare a tensiunii

Daca tensiunile stabilizate de diode sunt diferite (), limitatorul bilateral va avea praguri si nivele de limitare nesimetrice. Pentru acest caz, analiza circuitului conduce la urmatoarele rezultate:

- atunci cand , nici un curent nu circula prin cele doua diode inseriate (circuitul echivalent din fig. 45b) si tensiunea de iesire urmareste tensiunea de intrare,

(132)

- pentru , dioda stabilizeaza tensiunea de la borne, iar dioda este in conductie directa (circuitul echivalent din fig. 45c) si

(133)

sau, daca

(134)

- atunci cand , dioda este in conductie directa, dioda stabilizeaza tensiunea de la borne (circuitul echivalent din fig. 45d) si tensiunea de iesire este

(135)

sau, pentru

(136)

Fig. 46. a. Caracteristica statica de transfer a limitatorului bilateral asimetric, din fig. 45a; b. Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire, in cazul limitatorului bilateral simetric

Caracteristica statica de transfer, reprezentata in fig. 46a, arata ca circuitul studiat realizeaza functia de limitator bilateral cu praguri si nivele asimetrice de limitare: . Simetria pragurilor si a nivelelor de limitare este obtinuta in cazul utilizarii a doua diode cu aceleasi caracteristici electrice: . In acest caz, rezulta: si . Formele de unda ale tensiunilor de intrare si de iesire, in cazul limitatorului bilateral simetric, sunt aratate in fig. 46b.

Pentru studiul influentei rezistentei de sarcina asupra caracteristicii de transfer a unui limitator, se va considera cazul limitatorului bilateral simetric, realizat cu doua diode stabilizatoare de tensiune (fig. 47a).

Fig. 47. Limitator bilateral simetric cu doua diode stabilizatoare de tensiune: a. schema de principiu; b. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul ambelor diode blocate; c. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in regim de stabilizare a tensiunii si al diodei in regim de conductie directa; d. circuitul echivalent al limitatorului, pentru cazul diodei in regim de conductie directa si al diodei in regim de stabilizare a tensiunii

Analiza circuitului conduce la urmatoarele rezultate:

- atunci cand , nici un curent nu circula prin cele doua diode inseriate (circuitul echivalent din fig. 47b) si tensiunea de iesire este

(137)

- pentru , dioda stabilizeaza tensiunea de la borne, iar dioda este in conductie directa (circuitul echivalent din fig. 47c) si

(138)

- atunci cand , dioda este in conductie directa, dioda stabilizeaza tensiunea de la borne (circuitul echivalent din fig. 47d) si tensiunea de iesire este

(139)

Relatia (137) arata ca o rezistenta finita de sarcina, comparabila cu rezistenta , va scadea panta segmentului caracteristicii de transfer, corespunzatoare urmaririi semnalului de intrare. Pentru , panta acestui segment tinde catre unu. In cele doua regiuni de limitare, rezistenta finita de sarcina poate face ca termenul proportional cu tensiunea de intrare, din componenta tensiunii de iesire, sa nu mai fie neglijabil, iar nivelele de limitare sa fie mai scazute, in comparatie cu acelea ale circuitului cu iesirea in gol. Rezultatele obtinute in cazul iesirii in gol raman valabile pentru circuitele care indeplinesc conditiile: si In acest caz, relatiile (137), (138) si (139) devin:

; (140)

; (141)

. (142)