다이오드 클리핑 회로
다이오드 리미터 라고도 알려진 다이오드 클리퍼는 입력 파형을 가져와 위쪽 절반, 아래쪽 절반 또는 두 절반을 함께 자르거나 잘라내는 파동 형성 회로입니다.
입력 신호의 이러한 다이오드 클리핑은 입력의 평탄화된 버전과 유사한 출력 파형을 생성합니다. 예를 들어, 반파 정류기는 0 미만의 모든 전압이 제거되므로 클리퍼 회로입니다.
그러나 다이오드 클리핑 회로는 신호 및 쇼트키 다이오드를 사용하여 입력 파형을 수정하거나 출력 전압이 고전압 스파이크로부터 회로를 보호하는 특정 레벨을 초과하지 않도록 제너 다이오드를 사용하여 과전압 보호 기능을 제공하기 위해 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 그런 다음 다이오드 클리핑 회로를 전압 제한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
우리는 신호 다이오드 튜토리얼에서 다이오드가 순방향 바이어스될 때 전류가 전압을 클램핑하면서 자체적으로 통과할 수 있다는 것을 보았습니다. 다이오드가 역방향 바이어스되면 전류가 흐르지 않고 터미널 양단의 전압도 영향을 받지 않습니다. 이것이 다이오드 클리핑 회로의 기본 작동입니다.
다이오드 클리핑 회로에 대한 입력 전압은 임의의 파형 형태를 가질 수 있지만 여기서는 입력 전압이 정현파라고 가정합니다. 아래 회로를 고려하십시오.
포지티브 다이오드 클리핑 회로
이 다이오드 클리핑 회로에서 다이오드는 정현파 입력 파형의 양의 반주기 동안 순방향 바이어스(음극보다 양의 양극)입니다. 다이오드가 순방향 바이어스가 되려면 입력 전압 크기가 +0.7V(게르마늄 다이오드의 경우 0.3V)보다 커야 합니다.
이런 일이 발생하면 다이오드는 전도되기 시작하고 정현파 파형이 이 값 아래로 떨어질 때까지 자체 전압을 0.7V로 일정하게 유지합니다. 따라서 다이오드에 걸리는 출력 전압은 양의 반주기 동안 0.7V를 초과할 수 없습니다.
음의 반주기 동안 다이오드는 역방향 바이어스(양극보다 양극이 더 높은 음극)로 전류 흐름을 차단하므로 결과적으로 부하에 그대로 전달되는 정현파 전압의 음의 절반에는 영향을 미치지 않습니다. 따라서 다이오드는 입력 파형의 양의 절반을 제한하며 양의 클리퍼 회로로 알려져 있습니다.
네거티브 다이오드 클리핑 회로
여기서는 그 반대가 사실입니다. 다이오드는 정현파의 음의 반주기 동안 순방향 바이어스되며 역방향 바이어스 시 양의 반주기가 변경되지 않고 통과하도록 허용하면서 이를 –0.7V로 제한하거나 클리핑합니다. 다이오드는 입력 전압의 음의 반주기를 제한하므로 이를 음의 클리퍼 회로라고 합니다.
두 반주기 모두의 클리핑
표시된 대로 두 개의 다이오드를 역병렬로 연결하면 다이오드 D 1 이 정현파 입력 파형의 양의 반주기를 클리핑하고 다이오드 D2 가 음의 반주기를 클리핑하므로 양의 반주기와 음의 반주기가 모두 잘립니다. 그런 다음 다이오드 클리핑 회로를 사용하여 양의 반주기, 음의 반주기 또는 둘 다를 클리핑할 수 있습니다.
이상적인 다이오드의 경우 위의 출력 파형은 0입니다. 그러나 다이오드 전체의 순방향 바이어스 전압 강하로 인해 실제 클리핑 지점은 각각 +0.7V 및 -0.7V에서 발생합니다. 그러나 이 ±0.7V 임계값을 0.7V의 배수를 생성하는 직렬로 더 많은 다이오드를 연결하거나 전압 바이어스를 추가하여 정현파의 최대값( V PEAK ) 까지 원하는 값으로 늘릴 수 있습니다. 다이오드.
바이어스 다이오드 클리핑 회로
다양한 레벨의 전압 파형, 즉 바이어스 전압에 대한 다이오드 클리핑 회로를 생성하기 위해 V BIAS가 다이오드와 직렬로 추가되어 그림과 같이 조합 클리퍼를 생성합니다. 다이오드가 충분히 순방향 바이어스되어 전도되도록 하려면 직렬 조합 전체의 전압이 V BIAS + 0.7V 보다 커야 합니다. 예를 들어, V BIAS 레벨이 4.0V로 설정된 경우 다이오드 양극 단자의 정현파 전압은 순방향 바이어스가 되려면 4.0 + 0.7 = 4.7V 보다 커야 합니다 . 이 바이어스 지점보다 높은 양극 전압 레벨은 잘립니다.
포지티브 바이어스 다이오드
마찬가지로 다이오드와 배터리 바이어스 전압을 반전시킴으로써 다이오드가 음의 반주기를 수행할 때 출력 파형은 그림과 같이 –V BIAS – 0.7V 레벨로 유지됩니다 .
네거티브 바이어스 다이오드
가변 다이오드 클리핑 또는 다이오드 제한 레벨은 다이오드의 바이어스 전압을 변경하여 달성할 수 있습니다. 양의 반주기와 음의 반주기를 모두 클리핑하려면 두 개의 바이어스 클리핑 다이오드가 사용됩니다. 그러나 포지티브 및 네거티브 다이오드 클리핑 모두 바이어스 전압이 동일할 필요는 없습니다. 도시된 바와 같이 포지티브 바이어스 전압은 한 레벨(예를 들어 4V)에 있을 수 있고 네거티브 바이어스 전압은 다른 레벨(예를 들어 6V)에 있을 수 있습니다.
다양한 바이어스 레벨의 다이오드 클리핑
양의 반주기의 전압이 +4.7V에 도달하면 다이오드 D 1은 전도되고 파형을 +4.7V로 제한합니다. 다이오드 D 2는 전압이 –6.7V에 도달할 때까지 전도되지 않습니다. 따라서 +4.7V를 초과하는 모든 양의 전압과 -6.7V 미만의 음전압은 자동으로 클리핑됩니다.
바이어스 다이오드 클리핑 회로의 장점은 출력 신호가 입력 파형의 반주기 모두에 대해 미리 설정된 전압 제한을 초과하는 것을 방지한다는 것입니다. 이는 잡음이 있는 센서 또는 전원 공급 장치의 양극 및 음극 공급 레일의 입력일 수 있습니다.
다이오드 클리핑 레벨이 너무 낮게 설정되거나 입력 파형이 너무 크면 두 파형 피크가 모두 제거되어 구형파 모양의 파형이 될 수 있습니다.
제너 다이오드 클리핑 회로
바이어스 전압을 사용한다는 것은 클리핑되는 전압 파형의 양을 정확하게 제어할 수 있음을 의미합니다. 그러나 전압 바이어스 다이오드 클리핑 회로를 사용할 때의 주요 단점 중 하나는 문제가 될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 추가 EMF 배터리 소스가 필요하다는 것입니다.
추가 EMF 공급 없이 바이어스된 다이오드 클리핑 회로를 생성하는 쉬운 방법 중 하나는 제너 다이오드를 사용하는 것입니다 .
우리가 알고 있듯이 제너 다이오드는 역방향 바이어스 항복 영역에서 작동하도록 특별히 제작된 또 다른 유형의 다이오드이므로 전압 조정 또는 제너 다이오드 클리핑 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 순방향 영역에서 제너는 위와 동일하게 전도 시 순방향 전압 강하가 0.7V(700mV)인 일반 실리콘 다이오드처럼 작동합니다.
그러나 역방향 바이어스 영역에서는 제너 다이오드 항복 전압에 도달할 때까지 전압이 차단됩니다. 이 시점에서 제너를 통과하는 역전류는 급격하게 증가하지만 장치 전체의 제너 전압 V Z 는 제너 전류 I Z 가 변화하더라도 일정하게 유지됩니다.
그런 다음 표시된 대로 파형을 클리핑하는 데 제너 동작을 사용하여 이 제너 동작을 효과적으로 적용할 수 있습니다.
제너 다이오드 클리핑
제너 다이오드는 바이어스 전압이 제너 항복 전압과 동일한 바이어스 다이오드 클리핑 회로처럼 작동합니다. 이 회로에서는 파형의 양의 절반 동안 제너 다이오드가 역방향 바이어스되어 파형이 제너 전압 V ZD 1 에서 클리핑됩니다 . 음의 반주기 동안 제너는 일반적인 0.7V 접합 값을 갖는 일반 다이오드처럼 작동합니다.
그림과 같이 직렬로 연결된 백투백 제너 다이오드를 사용하여 파형의 양쪽 절반을 잘라내는 제너 다이오드 역전압 특성을 사용하면 이 아이디어를 더욱 발전시킬 수 있습니다.
전파 제너 다이오드 클리핑
전파 제너 다이오드 클리핑 회로의 출력 파형은 이전의 전압 바이어스 다이오드 클리핑 회로와 유사합니다. 출력 파형은 제너 전압과 다른 다이오드의 0.7V 순방향 전압 강하를 더한 값에서 클리핑됩니다. 예를 들어 양의 반주기는 제너 다이오드 ZD 1 과 ZD 2 의 0.7V 의 합에서 잘리고 음의 반주기에서는 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
제너 다이오드는 광범위한 전압으로 제조되며 위와 동일하게 각 반주기마다 서로 다른 전압 기준을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 제너 다이오드는 제너 항복 전압, V Z 범위가 2.4~33V이고 일반적인 허용 오차는 1~5% 로 제공됩니다 . 역방향 항복 영역에서 전도하면 전체 전류가 제너 다이오드를 통해 흐르므로 적절한 전류 제한 저항기 R 1을 선택해야 합니다.
다이오드 클리핑 요약
다이오드는 정류기로 사용될 뿐만 아니라 특정 DC 레벨에서 파형의 상단, 하단 또는 둘 다를 클리핑하고 왜곡 없이 출력으로 전달하는 데에도 사용할 수 있습니다. 위의 예에서는 파형이 정현파라고 가정했지만 이론적으로는 어떤 모양의 입력 파형이라도 사용할 수 있습니다.
다이오드 클리핑 회로는 진폭 노이즈 또는 전압 스파이크, 전압 조정을 제거하거나 위에서 볼 수 있는 직사각형 파형을 얻기 위해 정현파의 피크를 제곱하는 등 기존 신호에서 새로운 파형을 생성하는 데 사용됩니다.
"다이오드 클리핑"의 가장 일반적인 적용은 역전압 과도 현상으로부터 스위칭 트랜지스터를 보호하기 위해 유도 부하에 병렬로 연결된 플라이휠 또는 프리휠링 다이오드입니다.