Circuito de recorte de diodos

El recortador de diodos, también conocido como limitador de diodos, es un circuito de forma de onda que toma una forma de onda de entrada y recorta o corta su mitad superior, la mitad inferior o ambas mitades juntas.

Este recorte de la señal de entrada produce una forma de onda de salida que se asemeja a una versión aplanada de la entrada. Por ejemplo, el rectificador de media onda es un circuito clipper, ya que se eliminan todos los voltajes por debajo de cero.

Pero los circuitos de recorte de diodos se pueden usar en una variedad de aplicaciones para modificar una forma de onda de entrada usando señal y diodos Schottky o para proporcionar protección contra sobrevoltaje usando diodos Zener para garantizar que el voltaje de salida nunca exceda un cierto nivel que protege el circuito de picos de alto voltaje. Entonces, los circuitos de recorte de diodos se pueden usar en aplicaciones de limitación de voltaje.

Vimos en el tutorial de diodos de señal que cuando un diodo está polarizado hacia adelante, permite que la corriente pase a través de sí misma sujetando el voltaje. Cuando el diodo tiene polarización inversa, no fluye corriente a través de él y el voltaje a través de sus terminales no se ve afectado, y esta es la operación básica del circuito de recorte del diodo.

Aunque el voltaje de entrada a los circuitos de recorte de diodos puede tener cualquier forma de onda, asumiremos aquí que el voltaje de entrada es sinusoidal. Considere los circuitos a continuación:

Circuitos de recorte de diodos positivos

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En este circuito de recorte de diodos, el diodo tiene polarización directa (ánodo más positivo que cátodo) durante el semiciclo positivo de la forma de onda de entrada sinusoidal. Para que el diodo se polarice hacia adelante, debe tener una magnitud de voltaje de entrada superior a +0,7 voltios (0,3 voltios para un diodo de germanio).

Cuando esto sucede, los diodos comienzan a conducir y mantienen constante el voltaje a través de sí mismo en 0,7 V hasta que la forma de onda sinusoidal cae por debajo de este valor. Por lo tanto, el voltaje de salida que se toma a través del diodo nunca puede exceder los 0,7 voltios durante el semiciclo positivo.

Durante el semiciclo negativo, el diodo tiene polarización inversa (cátodo más positivo que ánodo) bloqueando el flujo de corriente a través de sí mismo y, como resultado, no tiene efecto sobre la mitad negativa del voltaje sinusoidal que pasa a la carga inalterada. Por tanto, el diodo limita la mitad positiva de la forma de onda de entrada y se conoce como circuito recortador positivo.

Circuitos de recorte de diodos negativos

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Aquí ocurre lo contrario. El diodo está polarizado hacia adelante durante el semiciclo negativo de la forma de onda sinusoidal y lo limita o recorta a –0,7 voltios mientras permite que el semiciclo positivo pase inalterado cuando está polarizado hacia atrás. Como el diodo limita el semiciclo negativo de la tensión de entrada, se denomina circuito de recorte negativo.

Recorte de ambos semiciclos

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Si conectamos dos diodos en paralelo inverso como se muestra, entonces los semiciclos positivos y negativos se recortarían cuando el diodo recorta D1 el semiciclo positivo de la forma de onda de entrada sinusoidal mientras que el diodo recorta D2 el semiciclo negativo . Luego, los circuitos de recorte de diodos se pueden usar para recortar el semiciclo positivo, el semiciclo negativo o ambos.

Para diodos ideales, la forma de onda de salida anterior sería cero. Sin embargo, debido a la caída de voltaje de polarización directa a través de los diodos, el punto de corte real ocurre a +0.7 voltios y –0.7 voltios respectivamente. Pero podemos aumentar este umbral de ± 0.7V a cualquier valor que queramos hasta el valor máximo, (VPEAK) de la forma de onda sinusoidal, ya sea conectando más diodos en serie creando múltiplos de 0.7 voltios, o agregando una polarización de voltaje a la diodos.

Circuitos de recorte de diodos polarizados

Para producir circuitos de recorte de diodos para formas de onda de voltaje a diferentes niveles, un voltaje de polarización, VBIAS se agrega en serie con el diodo para producir un recortador de combinación como se muestra. El voltaje en la combinación en serie debe ser mayor que VBIAS + 0.7V antes de que el diodo se polarice suficientemente hacia adelante para conducir. Por ejemplo, si el nivel VBIAS se establece en 4.0 voltios, entonces el voltaje sinusoidal en el terminal del ánodo del diodo debe ser mayor que 4.0 + 0.7 = 4.7 voltios para que se polarice hacia adelante. Cualquier nivel de voltaje de ánodo por encima de este punto de polarización se recorta.

Recorte del diodo de polarización positiva

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Del mismo modo, al invertir el voltaje de polarización del diodo y de la batería, cuando un diodo conduce el semiciclo negativo de la forma de onda de salida se mantiene en un nivel –VBIAS – 0,7 como se muestra:

Recorte de diodo de polarización negativa

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Se puede lograr un recorte de diodo variable o un nivel de limitación de diodo variando el voltaje de polarización de los diodos. Si se van a recortar tanto el semiciclo positivo como el negativo, se utilizan dos diodos de recorte polarizados. Pero para el recorte de diodo positivo y negativo, el voltaje de polarización no tiene por qué ser el mismo. La tensión de polarización positiva podría estar en un nivel, por ejemplo, 4 voltios, y la tensión de polarización negativa en otro, por ejemplo, 6 voltios, como se muestra:

Recorte de diodos de diferentes niveles de polarización

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Cuando el voltaje del semiciclo positivo alcanza +4,7 V, el diodo D1 conduce y limita la forma de onda a +4,7 V. El diodo D2 no conduce hasta que el voltaje alcanza –6,7 V. Por lo tanto, todo los voltajes positivos están por encima de +4,7 V y los voltajes negativos por debajo de –6,7 V se recortan automáticamente.

La ventaja de los circuitos de recorte de diodos polarizados es que evita que la señal de salida exceda los límites de voltaje preestablecidos para ambos semiciclos de la forma de onda de entrada, lo que podría ser una entrada de un sensor ruidoso o los rieles de suministro positivo y negativo de una fuente de alimentación.

Si los niveles de recorte del diodo se establecen demasiado bajos o la forma de onda de entrada es demasiado grande, la eliminación de ambos picos de forma de onda podría terminar con una forma de onda cuadrada.

Circuitos de recorte de diodo Zener

El uso de un voltaje de polarización significa que la cantidad de forma de onda de voltaje que se recorta se puede controlar con precisión. Pero una de las principales desventajas de usar circuitos de recorte de diodos polarizados por voltaje es que necesitan una fuente de batería de emf adicional que puede ser un problema o no.

Una forma fácil de crear circuitos de recorte de diodos polarizados sin la necesidad de un suministro de fem adicional es utilizar diodos Zener.

Como sabemos, el diodo Zener es otro tipo de diodo que ha sido especialmente fabricado para operar en su región de ruptura polarizada inversa y, como tal, puede usarse para aplicaciones de regulación de voltaje o recorte de diodo Zener. En la región de avance, el zener actúa como un diodo de silicio ordinario con una caída de voltaje de avance de 0,7 V (700 mV) cuando conduce, lo mismo que el anterior.

Sin embargo, en la región de polarización inversa, el voltaje se bloquea hasta que se alcanza el voltaje de ruptura de los diodos Zener. En este punto, la corriente inversa a través del zener aumenta bruscamente, pero el voltaje zener, VZ a través del dispositivo, permanece constante incluso si la corriente zener, IZ varía.

Entonces podemos poner esta acción zener en buen efecto usándolos para recortar una forma de onda como se muestra:

Recorte del diodo Zener

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El diodo Zener actúa como un circuito de recorte del diodo polarizado con el voltaje de polarización igual al voltaje de ruptura del zener. En este circuito, durante la mitad positiva de la forma de onda, el diodo Zener tiene polarización inversa, por lo que la forma de onda se recorta al voltaje Zener, VZD1. Durante el semiciclo negativo, el zener actúa como un diodo normal con su valor de unión habitual de 0,7 V.

Podemos desarrollar esta idea aún más utilizando las características de voltaje inverso de los diodos Zener para recortar ambas mitades de una forma de onda utilizando diodos Zener conectados en serie uno tras otro, como se muestra:

Recorte de diodo Zener de onda completa

full wave zener diode clipping - Circuito de recorte de diodos - ClasesParaTodos.org

La forma de onda de salida de los circuitos de recorte de diodo Zener de onda completa se asemeja a la del circuito de recorte de diodo polarizado por voltaje anterior. La forma de onda de salida se recortará al voltaje zener más la caída de voltaje directo de 0,7 V del otro diodo. Entonces, por ejemplo, el semiciclo positivo se recortará en la suma del diodo Zener, ZD1 más 0.7V de ZD2 y viceversa para el semiciclo negativo.

Los diodos Zener se fabrican con una amplia gama de voltajes y se pueden usar para dar diferentes referencias de voltaje en cada medio ciclo, al igual que el anterior. Los diodos Zener están disponibles con tensiones de ruptura zener, VZ. que van desde 2,4 a 33 voltios, con una tolerancia típica de 1 o 5%  Tenga en cuenta que una vez que se conduce en la región de ruptura inversa, la corriente completa fluirá a través del diodo Zener, por una resistencia limitadora de corriente adecuada, R1 que se debe elegir.

Resumen de recorte de diodos

Además de utilizarse como rectificadores, los diodos también se pueden utilizar para recortar la parte superior, inferior o ambas de una forma de onda a un nivel de CC en particular y pasarla a la salida sin distorsión. En los ejemplos anteriores hemos asumido que la forma de onda es sinusoidal pero, en teoría, se puede utilizar cualquier forma de onda de entrada.

Los circuitos de recorte de diodos se utilizan para eliminar el ruido de amplitud o los picos de voltaje, la regulación de voltaje o para producir nuevas formas de onda a partir de una señal existente, como cuadrar los picos de una forma de onda sinusoidal para obtener una forma de onda rectangular como se ve arriba.

La aplicación más común de un «recorte de diodo» es como un volante o un diodo de rueda libre conectado en paralelo a través de una carga inductiva para proteger el transistor de conmutación de los transitorios de voltaje inverso.

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