Limitador o Recortador Es un circuito que permite, mediante el uso de resistencias y diodos, eliminar tensiones que no nos interesa que lleguen a un determinado punto de un circuito. Mediante un limitador podemos conseguir que a un determinado circuito le lleguen únicamente tensiones positivas o solamente negativas, no obstante esto también puede hacerse con un sólo diodo formando un rectificador de media onda, de forma que nos vamos a centrar en un tipo de limitador que no permite que a un circuito lleguen tensiones que podrían ser perjudiciales para el mismo.
Recortador sin polarizar Imaginemos que en un caso como en el de la figura, no nos interesa que al circuito que estamos protegiendo (en este caso el elemento que vamos a proteger es la resistencia de carga RL) le lleguen tensiones superiores a 0.7 V, tanto positivos como negativos. Montando los dos diodos y la resistencia limitadora como se vé en la figura, nosotros nosotros conseguimos que cualquier tensión que exceda de 0.7 V o disminuya de -0.7 V, se vea recortada por los diodos. Estos 0.7 V de los que hablamos son la barrera de potencial del diodo. Hay que tener en cuenta que la resistencia limitadora (Rlim) es mucho menor que la resistencia de carga (RL), de este modo la tensión que cae en la resistencia resistencia limitadora es prácticamente nula y podemos despreciarla. Aunque la resistencia limitadora pueda parecer innecesaria, es importante entender que en realidad es parte imprescindible del limitador, ya que si no estuviera conectada, al polarizarse uno de los diodos directamente (los dos diodos no pueden estar polarizados directamente al mismo tiempo), este comenzaría a conducir la corriente eléctrica sin control y se destruiría. Como su propio nombre indica, la resistencia limitadora tiene como función limitar la corriente que atraviesa los diodos. De este modo, si la tensión de entrada supera por cualquier motivo los 0.7 V el diodo D1 quedará polarizado directamente y recortará el exceso de tensión. De igual forma, cuando la tensión de entrada disminuya de -0.7 V, el diodo D2 quedará polarizado directamente y recortará el exceso de tensión que podría dañar nuestra carga.
Recortador polarizado Muchas veces no nos interesa que los diodos recorten las tensiones de entrada a los 0.7 V o a los -0.7 V. Por ejemplo, ejemplo, puede que lo que estemos buscando es que a la entrada no le lleguen tensiones superiores a los 10 V o inferiores a los -10 V (estas tensiones son aleatorias, nosotros elegimos las que más nos interesen), en ese caso no podemos usar el circuito antes mencionado, ahora necesitamos un limitador polarizado. La única diferencia respecto al anterior limitador es que en este caso vamos a polarizar los diodos con baterías, a fin de que sea necesaria una tensión de entrada mayor que 0.7 V para que los diodos se polaricen directamente. Si lo que buscamos es que la tensión en la carga no sea mayor de 10 V ni inferior de -10 V, montaremos el siguiente circuito.
Veamos cómo funciona el circuito: Cuando la tensión tensión de entrada se ma ntiene dentro de sus límites normales, esto esto es, entre 10 V y -10 V, ninguno de los diodos hace nada.
En el momento en que la tensión es superior a los 10.7 V (los 10 V de la batería más los 0.7 V de la barrera de potencial del diodo), el diodo D1 queda polarizado directamente y empieza a conducir, de esta forma no permite que la tensión en la carga aumente. Si la tensión de entrada disminuye de los -10.7 V, en este caso es el diodo D2 el que se polariza directamente y comienza a conducir, no permitiendo que la tensión en la carga disminuya hasta niveles peligrosos. Hay que destacar que en lugar de baterías, también podrían conectarse diodos zener polarizados inversamente cuya tensión zener fuera igual a la de las baterías que necesitamos colocar. Además las dos baterías o diodos zener no tienen por que tener el mismo potencial, todo depende de qué niveles de tensión queramos proteger el circuito. Es muy importante tener en cuenta que, en este último caso, en el que queremos recortar de forma diferente el semi ciclo positivo y el negativo, se debe tener la precaución de que la segunda fuente sea mayor que la primera. No puede ser la primera mayor que la segunda, pues, llegado el caso en el que ambos diodos se cierren, cosa que puede ocurrir si (Vi-I.Rlim)>E1 (y por ende si E1>E2, (ViI.Rlim)>E2), con lo que ambos diodos están en polarización directa, o cortocircuitados, y la E1 intentará llevar a E2 al potencial que ella posee, con lo que se destruirá la batería.
Recortador serie con fuente adicional En el circuito de la figura vemos que se ha intercalado una fuente adicional para modificar el resultado de Vo, analicemos su comportamiento. Como en el caso anterior consideremos el diodo ideal para facilidad en el análisis. Cuando Vi es positivo (5V), Están en serie las dos fuentes pero en sentido contrario, la resultante es 3V con el signo de la mayor, El diodo D1 está polarizado inversamente puesto que estamos llevando 5V al cátodo y 2V al ánodo por tanto no conducirá, será un circuito abierto, como I=0 entonces VR = 0 por lo tanto Vo = 0 durante este semiciclo de la señal de entrada.
Recortadores paralelo con fuente adicional. Para el análisis de este circuito se debe tener en cuenta el momento en el cual el diodo empieza a conducir, Como en este caso tenemos una fuente adicional en serie con el diodo y está en contraposición, debemos pensar que el diodo solo comienza a conducir cuando Vi. está en el semiciclo positivo y tiene un valor igual o mayor a 2 V (considerando el diodo ideal), cuando el diodo esta conduciendo es como si tuviéramos un Sw cerrado por lo tanto se verá en la salida Vo un voltaje igual a 2V.
Formas de onda Ahora estudiaremos más a fondo qué es lo que hace el limitador estudiando las distintas formas de onda de la tensión en la entrada y en la carga, en el caso concreto en el que nuestra carga no soporta tensiones mayores de 10 V o menores de -10 V.
Imaginemos que alimentamos el circuito con una tensión de entrada Vi senoidal de 30 V eficaces, en el dibujo es la línea sinusoidal de color verde. Esta tensión de entrada tiene picos cuyo valor alcanza los 42 y -42 V respectivamente. El caso es que si estos valores de tensión llegaran a la carga esta quedaría dañada o se destruiría. Para evitar que esto ocurra, conectamos la resistencia limitadora, los diodos y las baterías o diodos Zener, como hemos visto antes. Estudiemos cuando comienza a conducir el diodo D1: La batería que está conectada al diodo D1 polariza su cátodo a 10 V, considerando el diodo ideal, comenzará a conducir cuando la tensión en su ánodo sea mayor que en su cátodo, esto ocurre sólo cuando la tensión de entrada es superior a 10 V. Cuando Vi supera los 10 V, se convierte en una tensión peligrosa para la carga RL, no obstante en ese mismo momento la tensión en el ánodo del diodo D1 comienza a ser superior que la tensión en su cátodo, con lo que el diodo D1 queda polarizado directamente y comienza a conducir la corriente eléctrica, a partir de este momento la tensión sobrante de la tensión de entrada Vi se ve recortada y no puede llegar a la carga tal y como se ve en la figura de la derecha. Estudiemos cuando comienza a conducir el diodo D2: Este caso es igual al anterior. La batería polariza el ánodo de D2 a -10 V. Cuando la tensión de entrada Vi es más baja de lo que la carga puede soportar (en nuestro caso menor que -10 V), el cátodo del diodo D2 queda a un potencial menor que -10 V, con lo que el diodo se polariza directamente y recorta en este caso, las tensiones negativas de entrada que podrían resultar perjudiciales para la carga, tal y como se aprecia en la gráfica.
CIRCUITOS RECORTADORES Circuito recortador que transmite la parte de la señal de entrada que es más negativa que V R + V
Aplicaciones: Recortador o Clipper ( I) C onocidos también como selectore s de amplitud
*Definen máximo o mínimo voltaje para la entrada Modelo simple permite fácil compren sión *Útil en análi si s de varios recortadores
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III)
SUJETA
RES DE VOLTAJE O CAMBIADORES DE NIVEL
Es un c cuito que te lev nta ó te baja el ni vel d e una se al d e entrada, es decir suponi endo qu e al sujetador l e apli cas una se al d e onda cuadradaque cambia entre 0 y 10 volts, enton ces el sujetador puede modifi car estos niveles de voltaje subiéndolo s ó baj ndolos a una cantidad que tu determina s con los componentes del sujetador. Por ejemplo si subimo s los niveles 5 volts, la onda de salida variaráentre 5 y 15 volts, sin perder el valor de su frecuencia. Si ba jamos los nivel es 2 volt s, enton ces la se al d e salida variará de -2 volt s a 8 volt s. Es un circuito conformado por un diodo dos fuentes: una que alimenta el circuito y otra que refiere tu señal de entrada, y por ultimo una resistencia de c arga.La fu ente que refiere la se al es la encargada de cambiar tu eje de ref erencia, por decir, a la entrada tienes una se al en que está r ef erida a 0V y pones una fuente en serie con el diodo) logrará smover tu eje, por ejemplo a 2V. Por ejemplo: si a la entrada tienes una se al d e 10Vpp +10V-10V con ref er encia a 0V, a la salida tendrás igual 10 Vpp p ero +12V-8V, tu ref erencia está ahora en 2V. Si el condensador se encuentra descargado, al apli car t ensión, el se comportará como un corto (oponi éndose al cambio d e voltaje). Para que e ista conducción, se requier e que la se al ini cie su recorrido con un voltaje negativo, esto hará que el condensador se cargue a un voltaje Vmax.Una red cambiadora de nivel esla que cambia una se al a un ni vel d e DC dif erente. La r ed d ebe de tener un capa citor, un diodo y un elemento resistivo, pero tambi én puede usar una fuente de Dc ind ependiente para introducir un cambio de nivel d e DC adi cional. La longitud d e R y de C debe el egirse de tal forma que la constante de ti empo T = RC es lo suficientemente grande para asegurar que el voltaje a través del capacitor no se descarga de manera signifi cativa, durant e el intervalo en qu e el diodo no está conduci endo.
PRIME RA ETA PA
En esta primera etapa el capacitor se carga con el voltaje de la fuente a través del diodo qu e al estar polarizado en directo es sustituido por un corto circuito (mostrado el la figura ( c). Esta etapa se encuentra en un rango d e 0 < t < T/ 2 con un voltaje de entrada igual al voltaje de la batería ViN = V En la figura (a) se muestra una onda cuadrada de entrada. En la figura (b) se ilustra un circuito sujetador (de fijación) donde la salida se fija a cero, es decir, no existe batería, por lo qu e VB = 0. Si el diod o se encontrara en dir ección opu esta al del circuito pr evio, se fijaría el mínimo en lugar del máximo de salida, en este caso se esta fijando el máximo de salida.Es importante que la t ensión a tra vés del capacitor permanezca aproximadamente constante durante el semiperiodo de la onda d e entrada. SEÑAL DE ENTRADA
Figura A
Figura b
Figura c
SEGUNDA ETA PA
En la segunda etapa el capacitor es cargado con el dobl e del voltaje de la fuente ya que el diodo se polariza inversamente siendo este sustituido por un circuito abi erto, mostrado en la figura (b). E sta etapa se encuentra entre un rango T/2 < t < T con unvoltaje de entrada igual a menos dos veces el voltaje de la fuente de acuerdo a la l ey de voltaje de Kirchhoft:-V - V - ViN = 0 quedando ViN =- 2V Una regla práctica d e dise o es hacer que la constante de tiempo RC tenga al menos cinco veces la duración del semiperiodo, es decir, t1- t0 o t 2 - t1 SEÑAL DE RESPUESTA
FIGURA A
FIGURA B
Si la constante de tiempo es muy peque a, la onda se distorsiona, para r educir ese error se puede incrementar la constante de tiempo, por ejemplo, 10 veces la duración del semiperiodo. !
Ejemplo de un cambiador de nivel "Clipper' s"
Sujetador es de Voltaje -Apli ca cion es Algunas veces es deseabl e afianzar o sujetar el rango de una se al, por ejemplo, para evitar que se excedan ciertos límites de voltaje. Este ef ecto d e afianzar un voltaje puede ser r ealizado mediante un circuito con un solo diodo. Uno d e tales cir cuitos,que se afianza de +5 V, se muestra en el diagrama siguiente: !
Hay dos tipos de sujetadores de nivel po siti vo y negativo. Sujetador de nivel positi vo Lo veremos con un ejemplo:
NOTA: La carga no ti ene porque ser solo una r esistencia, puede ser elequivalente de Th évenin de otro circuito, etc. Se empi eza por el semici clo enel qu e conduce un diodo y se carga un cond ensador. Seguimos con el ejemplo. Semici clo n egativo.
Supon emos el diodo id eal. El condensador se carga en el semici clo n egativo.Una vez cargado, el condensador se descarga en el semici clo positi vo.Interesa qu e el condensador se descargue lo m enos posible. Para qu e sea la descarga prácticamente una horizontal se tiene que cumplir:
Si suponemos que el condensador se descarga muy poco, enton ces asumimo s una tensión p ermanente de 10V. H emos subido 10 V el ni vel d econtinua.
O SET = Ni vel d e continua. Este es el sujetador de nivel po siti vo. Si qui sieracambiar hacia abajo sería el sujetador de nivel n egativo qu e es igual cambiando el diodo d e sentido. Sujetador de nivel n egativo. Como antes, el condensador siempre a 10 V. Sele resta 10 a la entrada. Es un "OFFSET Negativo". "
"
Todo esto es cogi endo el diodo id eal. Si usamos 2ª aproximación, diodo a 0.7V.
