11.4. Последовательный диодный ограничитель

Во многих промышленных установках, схемах автоматики, системах связи применяются нелинейные устройства, которые позволяют устранить помехи, всплески при переходных процес­сах и другие нежелательные выбросы сигнала. При помощи та­ких устройств возможно ограничивать синусоидальные колеба­ния с целью формирования колебаний прямоугольной формы (преобразования их в прямоугольные импульсы). Кроме того, устройства могут использоваться для получения сигналов с по­стоянной амплитудой и привязки сигналов к определенному уровню постоянного напряжения. Эти устройства, называемые ограничителями, устройствами привязки или фиксации заданно­го уровня напряжения, имеют специфическое применение.

Рис. 11.4. Схема последовательного диодного ограничителя.

Ограничитель — это устройство, ограничивающее сигнал выше или ниже заданного уровня, называемого уровнем огра­ничения. Вне области ограничения величина выходного сигнала пропорциональна величине входного сигнала. Ограничители мо­гут быть последовательного и параллельного типа; их выпол­няют на диодах, транзисторах или лампах. Типичная схема по­следовательного диодного ограничителя снизу представлена на рис. 11.4. Так как резистор и диод здесь соединены последова­тельно, эту схему называют последовательной. В ограничителе используется напряжение смещения, полярность которого ука­зана на рисунке. Поскольку полярность источника смещения является обратной для диода, при отсутствии внешнего сигнала ток в ограничителе не протекает. При подаче же на вход сиг­нала положительной полярности протекание тока начнется с момента, когда величина входного сигнала превысит напряже­ние смещения 4,5 В. После того как величина входного сигнала превысит напряжение смещения, величина выходного сигнала будет пропорциональна величине сигнала на входе. Если на вход подается сигнал отрицательной полярности, то он действу­ет так же, как источник смещения, и диод будет еще дальше переходить в область отсечки. Следовательно, в данной схеме срезается часть сигнала, находящаяся ниже уровня смещения 4,5 В.

Предположим, что входной сигнал представляет собой коле­бания прямоугольной формы (рис. 11.4). Так как полный раз­мах сигнала составляет 24 В, амплитуда сигнала во время поло­жительного и отрицательного полупериодов равна 12 В. При по­ложительном полупериоде входной сигнал должен превысить напряжение смещения 4,5 В, и только после этого диод откро­ется. Следовательно, амплитуда выходного сигнала будет со­ставлять только 7,5 В.

11.5. Параллельный диодный ограничитель

Различные варианты схем параллельных ограничителей по­казаны на рис. 11.5 [Для нормальной работы параллельного ограничителя принципиально необходимо включение последовательно с источником сигналов резистора до­вольно значительного сопротивления. — Прим. ред.]. Схема на рис. 11,5 а иллюстрирует ограни­чение сигналов отрицательной полярности. Здесь при подаче на вход биполярных колебаний прямоугольной формы на выхо­де получают импульсы только положительной полярности. При положительном входном сигнале на диод подается напряжение обратной полярности и диод имеет большое обратное сопротив­ление, так как находится в закрытом состоянии. Таким обра­зом, во время положительного полупериода входной сигнал бу­дет проходить на выход. Во время действия отрицательного по­лупериода входных импульсов прямоугольной формы поляр­ность напряжения, приложенного к диоду, будет такой, что по­следний переходит в открытое состояние. При этом малое со­противление открытого диода будет шунтировать резистор ri и выходное напряжение будет близко к нулю. В течение после­дующих полупериодов процесс будет повторяться и на выходе будут появляться импульсы положительной полярности. Для получения импульсов отрицательной полярности следует на­правление включения диода изменить на обратное.

Рис. 11.5. Схемы параллельного диодного ограничителя.

Схема ограничителя параллельного типа с источником фик­сированного положительного смещения изображена на рис. 11,5,6. Полярность источника смещения такова, что он поддерживает диод в закрытом состоянии. Для обеспечения требуемого уровня ограничения устанавливается нужная ве­личина напряжения источника смещения. В схеме рис. 11,5,6 диод открывается только в том случае, когда напряжение поло­жительного входного сигнала превысит 3В. Следовательно, если размах колебаний напряжения прямоугольной формы на входе составляет 12В, то выходное напряжение пропорцио­нально входному только в случае, пока последнее не превыша­ет 3В. Если же входной сигнал оказывается выше 3 В, то диод открывается и источник сигналов окажется зашунтированным. При отрицательном сигнале на входе диод закрыт и выходной сигнал пропорционален входному. Таким образом, если полярность напряжения смещения и полярность включения диода противоположны, то сигнал на выходе появится в том случае, когда величина входного сигнала не превышает приложенного напряжения смещения.

Применение смещающего напряжения дает возможность производить ограничение отрицательной или положительной по­луволны синусоидальных колебаний. Направление включения диода и полярность смещающего напряжения, показанные на рис. 11.5, в, таковы, что осуществляется ограничение положи­тельной полуволны напряжения: на выходе это напряжение бу­дет иметь плоскую вершину при величинах входного сигнала, которые превосходят уровень смещения. Если напряжение по­ложительной полуволны входного сигнала превысит уровень смещения, то диод открывается и шунтирует сигнал. Пропор­циональное же изменение входному сигналу сигнала на выходе будет иметь место, если величина входного сигнала меньше в алгебраическом смысле напряжения смещения.

Для ограничения отрицательной полуволны синусоидаль­ных колебаний необходимо полярность напряжения смещения и полярность включения диода изменить на обратные (рис. 11.5, г). В этом случае напряжение смещения поддержи­вает диод в закрытом состоянии, кроме интервалов времени, когда входной сигнал, имеющий отрицательную амплитуду, превышает напряжение смещения и открывает диод.