ไดโอดหน่วงเวลาคืออะไร และทำงานอย่างไร?

วงจรหนีบแรงดันไดโอด ( Diode Clamping Circuit ) เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงของรูปคลื่นอินพุต แตกต่างจากวงจรตัดแรงดันไดโอด (Diode Clipper Circuit)หรือวงจรจำกัดแรงดัน (Voltage Limiter Circuit) วงจรหนีบแรงดันไม่ได้เปลี่ยนรูปร่างหรือลักษณะของรูปคลื่น แต่จะ "หนีบ" ส่วนบนหรือล่างของรูปคลื่นให้อยู่ในระดับแรงดัน ±V ที่ต้องการ

วงจรไดโอดแคลมเปอร์เป็นวงจรพาสซีฟอย่างง่ายที่ใช้ส่วนประกอบเพียง 3 ชิ้น ได้แก่ ตัวเก็บประจุ C ไดโอด D และตัวต้านทาน R (โปรดทราบว่าตัวต้านทาน R อาจทำหน้าที่เป็นอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของโหลดก็ได้) หลักการทำงานพื้นฐานของวงจรไดโอดแคลมเปอร์นั้นอาศัยความสามารถของไดโอดสัญญาณในการนำกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้น ในขณะที่กั้นกระแสในอีกทิศทางหนึ่ง

ไดโอดสัญญาณเหมาะสำหรับใช้เป็นแคลมป์หนีบสัญญาณ

จากนั้น คุณสมบัติการสวิตช์ของไดโอดเมื่อรวมกับตัวเก็บประจุที่เก็บประจุไฟฟ้าไว้บนแผ่นตัวนำ จะทำให้วงจรมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

ผลของการเปลี่ยนแปลงนี้จะทำให้รูปคลื่นสูงขึ้นหรือต่ำลงตามค่า ±V ที่กำหนดเมื่อเทียบกับระดับแรงดันไฟฟ้าบางระดับ นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนแปลงรูปคลื่นเพิ่มเติมได้โดยการเพิ่มแรงดันไบแอส DC เข้าไปในวงจรพื้นฐาน

วงจรหนีบไดโอดแบ่งประเภทตามโหมดการทำงาน หากวงจรเปลี่ยนทิศทางของสัญญาณอินพุตขึ้นไปในทิศทางบวกของกระแสตรง จะเรียกว่า "วงจรหนีบบวก" หากวงจรเปลี่ยนทิศทางลงไปในทิศทางลบของกระแสตรง จะเรียกว่า "วงจรหนีบลบ"

เรารู้ว่าไดโอดแบบ pn-junctionเกิดขึ้นเมื่อนำวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p มาเชื่อมต่อหรือหลอมรวมกัน แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับไดโอดมักเรียกว่า "แรงดันไบแอส"

เมื่อไดโอด pn-junction ได้รับไบแอสย้อนกลับ จะไม่มีกระแสไหลผ่านบริเวณรอยต่อของไดโอด (บริเวณพร่องประจุ) กระแสจะไหลผ่านก็ต่อเมื่อไดโอดได้รับไบแอสตรงเท่านั้น โดยไหลไปในทิศทางของลูกศรบนสัญลักษณ์ไดโอด (การไหลของกระแสตามปกติ) ดังแสดงในภาพ

ไดโอด PN-junction

โปรดทราบว่า ดังที่เราได้เห็นในบทเรียนทฤษฎี pn-junctionแล้ว ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นจริงบริเวณรอยต่อของไดโอดจะคงที่เนื่องจากการนำไฟฟ้าของชั้นพร่องประจุ ความต่างศักย์นี้จะมีค่าประมาณ 0.7 โวลต์สำหรับซิลิคอน (0.3 โวลต์สำหรับเจอร์มาเนียม) บริเวณรอยต่อของไดโอด ไม่ว่าระดับแรงดันไบแอสจะเป็นเท่าใดก็ตาม

วงจรหน่วงไดโอดบวก

วงจรแคลมเปอร์บวกจะเพิ่มหรือเลื่อนรูปคลื่นสัญญาณอินพุตทั้งหมดขึ้นไป เพื่อให้ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดอยู่ใกล้กับกราวด์ 0 โวลต์ (หรือที่ระดับแรงดันไฟฟ้าบวกบางระดับ)

วงจรแคลมเปอร์บวกแบบคงที่ที่ไม่เอนเอียง ประกอบด้วยไดโอดเซมิคอนดักเตอร์เดี่ยวและตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันดังแสดงในภาพ

โปรดสังเกตว่าเมื่อสัญลักษณ์ไดโอดชี้ขึ้นด้านบน นั่นหมายถึงทิศทางการเปลี่ยนแปลงกระแสตรง (DC shift) นั่นคือ เมื่อไดโอดชี้ขึ้นด้านบน วงจรจะเป็นวงจรหนีบไดโอดบวก (positive diode clamping circuit)

แล้วมันทำงานอย่างไร? หลักการทำงานพื้นฐานของวงจรหนีบไดโอดนั้นอาศัยหลักการที่ว่า เวลาในการชาร์จของตัวเก็บประจุ C นั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับเวลาในการคายประจุ เวลาในการชาร์จ/คายประจุจะถูกกำหนดโดยผลคูณของค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ซึ่งแสดงได้ดังนี้: τ (เทา) = R x C

รูปคลื่นอินพุตไซน์เชิงลบ

ขั้นแรก ให้สมมติว่าสัญญาณอินพุตเป็นรูปคลื่นไซน์แบบเป็นคาบที่กำลังเข้าสู่ครึ่งรอบลบ และตัวเก็บประจุ (C) คายประจุจนหมดแล้ว

ในช่วงครึ่งรอบลบของสัญญาณอินพุต (180 ถึง 360 ^องศา ) ไดโอดจะได้รับไบแอสไปข้างหน้าและทำหน้าที่เหมือนวงจรลัด ทำให้กระแสไหลผ่านและชาร์จตัวเก็บประจุผ่านไดโอดดังแสดงในภาพ

ในช่วงเวลาดังกล่าว ค่าคงที่เวลาของวงจร (เทา) ซึ่งกำหนดโดย t = RC จะมีค่าน้อยมาก เนื่องจากตัวต้านทานขนาน R ได้ถูก "ลัดวงจร" โดยไดโอดนำกระแสที่ได้รับไบแอสไปข้างหน้าอย่างมีประสิทธิภาพ

เนื่องจากความต้านทานเพียงอย่างเดียวในวงจรคือความต้านทานไปข้างหน้าแบบไดนามิกของจุดต่อไดโอด ตัวเก็บประจุจึงชาร์จจนเกือบถึงแรงดันลบสูงสุดของรูปคลื่นอินพุตอย่างรวดเร็ว นั่นคือ V _C = V _IN x √ 2ลบด้วยแรงดันตกคร่อมได_โอด 0.7V

โปรดสังเกตว่าในช่วงครึ่งรอบลบ แรงดันสูงสุดจะเกิดขึ้นที่ 270 องศา ซึ่งตรงกับหนึ่งในสี่ของคาบลบ (T/4) เนื่องจากไดโอดนำกระแสใกล้จุดสูงสุดของรูปคลื่นอินพุต ตัวเก็บประจุจึงชาร์จจนถึงแรงดันสูงสุดนั้นในช่วงหนึ่งในสี่ของคาบนี้

หลังจากที่ไดโอดหยุดนำกระแส (เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าลดลงต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ) ตัวเก็บประจุจะต้องกักเก็บประจุไว้ให้นานพอที่จะรักษาระดับเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงไปจนกว่าจะเกิดการชาร์จสูงสุดครั้งถัดไป

ถ้าเราสมมติว่าตัวเก็บประจุมี ค่า ความจุ เดียว เท่ากับ 1uF และอิมพีแดนซ์ไดนามิกของไดโอด pn-junction เมื่อได้รับไบแอสไปข้างหน้า (นำกระแส) คือ 10Ω

ดังนั้น ค่าคงที่เวลา RC สำหรับตัวอย่างนี้จะเป็น: τ = R _D x C = 1×10 _-6 x 10 = 10μs (10 ไมโครวินาที) ดังนั้น เวลาในการชาร์จทั้งหมดเพื่อให้ตัวเก็บประจุชาร์จเต็มจะเป็น: 5RC หรือ 5τ = 5 x 10×10 ^-6 = 50μs (50 ไมโครวินาที)

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไดโอดนำกระแสและทำหน้าที่เสมือนลัดวงจรกับตัวต้านทาน แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน (R) จึงไม่สามารถเกินแรงดันไบแอสตรงของไดโอด V_{_D} ได้ ดังนั้น V _{_OUT} = -V_{_D} นั่นคือ แรงดันเอาต์พุตต่ำสุด: V _{_OUT(min)} = -0.7 โวลต์

รูปคลื่นอินพุตไซนูซอยด์บวก

สมมติว่ารูปคลื่นอินพุตแบบไซน์ได้เปลี่ยนทิศทางและกำลังเพิ่มขึ้นในครึ่งรอบบวกของรูปคลื่น เนื่องจากแรงดันอินพุตเปลี่ยนไปเป็นทิศทางแรงดันบวก ไดโอดจึงอยู่ในสภาวะไบแอสย้อนกลับและทำหน้าที่เหมือนวงจรเปิด ป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุคายประจุ ดังแสดงในภาพ

เนื่องจากไดโอดได้รับไบแอสย้อนกลับในช่วงครึ่งรอบบวก จึงทำให้ตัวเก็บประจุไม่สามารถคายประจุกลับผ่านทางอินพุตได้ อย่างไรก็ตาม ตัวต้านทาน (R) ทำหน้าที่เป็นเส้นทางคายประจุสำหรับตัวเก็บประจุ

แต่เนื่องจากค่าคงที่เวลาการคายประจุ RC มีค่ามากกว่าค่าคงที่เวลาการชาร์จก่อนหน้า R _D C มาก ตัวเก็บประจุจึงยังคงชาร์จเกือบเต็มในช่วงครึ่งรอบบวกของรูปคลื่นอินพุต และด้วยเหตุนี้จึงคายประจุเพียงเล็กน้อย

ตัวเก็บประจุที่ชาร์จเต็มแล้วในขณะนี้จะทำหน้าที่เหมือนแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแบบอนุกรมกับสัญญาณอินพุต เนื่องจากตัวเก็บประจุได้ชาร์จจนถึงค่าแรงดันสูงสุดลบก่อนหน้า (-Vp) แล้ว จึงจะเพิ่มแรงดันนี้เข้าไปในสัญญาณอินพุต ดังนั้นรูปคลื่นเอาต์พุตจึงกลายเป็นรูปคลื่นอินพุตที่เลื่อนขึ้นไปตามค่าแรงดันสูงสุดลบของอินพุตเดิม

เนื่องจากไดโอดไม่นำกระแสและทำหน้าที่เหมือนวงจรเปิด แรงดันเอาต์พุตที่วัดได้จากตัวต้านทาน (R) จึงมีค่าเป็นสองเท่าของแรงดันอินพุต ดังนั้น VOUT ₌ 2V นั่นคือ แรงดันเอาต์พุตสูงสุด: _VOUT(max) = 2Vp โวลต์

ค่าคงที่เวลาของวงจรหน่วงไดโอด

ค่าคงที่เวลา t = R x C แสดงถึงเวลาลักษณะเฉพาะที่แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุลดลงเหลือประมาณ 37% (1/e) ของค่าเริ่มต้น เห็นได้ชัดว่าปริมาณการคายประจุของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับค่าของตัวต้านทาน R ซึ่งกำหนดระยะเวลาที่ระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่บนแผ่นตัวเก็บประจุ ก่อนที่จะเริ่มลดลง

ถ้าเราสมมติอีกครั้งว่าตัวเก็บประจุมีค่า 1uF และตัวต้านทานมีค่า 10kΩ ค่าคงที่เวลา RC ในตัวอย่างนี้จะเท่ากับ τ = R x C = 1×10⁻⁶ ^x 10000 = 10ms (10 มิลลิวินาที) ดังนั้นเวลาการคายประจุ RC ทั้งหมด ของตัวเก็บประจุจะเท่ากับ 5RC หรือ 5τ = 5 x 10× ^10⁻³ = 50ms (50 มิลลิวินาที)

จากนั้นเราจะเห็นว่า เวลา ในการชาร์จ RCของตัวเก็บประจุผ่านไดโอดนั้นน้อยมาก (50 ไมโครวินาที) เมื่อเทียบกับเวลาในการคายประจุที่มากกว่า (50 มิลลิวินาที) ของตัวเก็บประจุผ่านตัวต้านทาน R ผลลัพธ์ก็คือ ตัวเก็บประจุมีเส้นทางการชาร์จและการคายประจุที่ไม่เท่ากัน ซึ่งเป็นพื้นฐานของวงจรหน่วงแรงดันไดโอด

กล่าวคือ หากค่าคงที่เวลา τ มีค่าน้อยเกินไป (R หรือ C มีค่าน้อย) ตัวเก็บประจุจะคายประจุเร็วเกินไป ดังนั้นรูปคลื่นเอาต์พุตจะไม่รักษาระดับที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้การหน่วงสัญญาณไม่ดี

ในทำนองเดียวกัน ค่า τ ที่สูงจะช่วยให้แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุคงที่เกือบตลอดช่วงเวลาของสัญญาณอินพุต ซึ่งจะช่วยรักษาค่าออฟเซ็ต DC และผลของการหน่วงแรงดันของไดโอดไว้ได้

รูปคลื่นของไดโอดแคลมป์บวก

จากนั้นเราจะเห็นว่าสำหรับไดโอดแคลมเปอร์แบบบวก รูปคลื่นเอาต์พุตจะเลื่อนขึ้นไปเพื่อให้แรงดันต่ำสุด (จุดสูงสุดที่เป็นลบ) อยู่ใกล้ศูนย์โวลต์ สำหรับอินพุตแบบไซน์ แรงดันสูงสุดที่เป็นบวกและลบจะเกิดขึ้นที่ 90 ^°และ 270 ^°ตามลำดับ ซึ่งสอดคล้องกับหนึ่งในสี่ของคาบ (T/4) จากศูนย์

เนื่องจากตัวเก็บประจุจะชาร์จจนถึงแรงดันสูงสุดในช่วงหนึ่งในสี่ของคาบเวลาในแต่ละครึ่งรอบ หลังจากที่ไดโอดหยุดนำกระแส (เมื่อแรงดันอินพุตลดลงต่ำกว่าแรงดันตัวเก็บประจุ) ตัวเก็บประจุจะต้องรักษาประจุไว้ให้นานพอที่จะรักษาระดับเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงไปจนกว่าจะเกิดการชาร์จสูงสุดครั้งถัดไป

ดังนั้น ค่าคงที่เวลา τ ควรมีค่ามากกว่า T/4 (หนึ่งในสี่ของคาบสัญญาณอินพุต) มาก เพื่อหลีกเลี่ยงการคายประจุของตัวเก็บประจุมากเกินไประหว่างจุดสูงสุด หาก τ มีค่าน้อยเกินไปเมื่อเทียบกับ T/4 ตัวเก็บประจุจะคายประจุเร็วเกินไป และกลไกการหน่วงจะไม่ได้ผล เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตจะเบี่ยงเบนออกจากระดับที่ต้องการ

ดังนั้นสำหรับรูปคลื่นอินพุตแบบไซน์ เราต้องเลือกค่า τ ให้เป็นไปตามเงื่อนไข: τ = R x C ≫ T/4 ตัวอย่างเช่น ถ้าความถี่อินพุตคือ ƒ = 1/T แล้วคาบหนึ่งในสี่คือ T/4 = 1/4ƒ

ดังนั้น เราจึงต้องเลือกค่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่เหมาะสมเพื่อให้ค่าคงที่เวลาโดยรวมมีค่ามากกว่า: R x C = 5 x 1/4ƒ = 5/4ƒ ซึ่งมากกว่า 5τ

โดยทั่วไปแล้ว ค่าตัวคูณการหน่วง (k) ไม่จำเป็นต้องกำหนดไว้ที่ 5T อาจเป็นจำนวนเต็มที่มากพอตามความแม่นยำและความเสถียรของการหน่วงที่ต้องการ จุดประสงค์ของตัวคูณค่าตัวคูณการหน่วงนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันของตัวเก็บประจุจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญในช่วงเวลาระหว่างการนำกระแสของไดโอด

การเลือกตัวคูณที่มากขึ้น (เช่น 10, 20 หรือ 100) จะเพิ่มค่าคงที่เวลา τ = R x C ซึ่งหมายความว่าตัวเก็บประจุจะคายประจุช้าลง ทำให้ความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าที่ถูกจำกัดดีขึ้น แต่แลกมาด้วยการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณอินพุตหรือสภาวะวงจรที่ช้าลง ในทางกลับกัน ตัวคูณค่าการจำกัดที่น้อยลงจะลดค่าคงที่เวลา ทำให้ตอบสนองได้เร็วขึ้น แต่มีความเสี่ยงที่จะเกิดแรงดันตกมากขึ้นและประสิทธิภาพในการจำกัดลดลง

ตัวอย่างการทำงานของวงจรหนีบไดโอด หมายเลข 1

จำเป็นต้องใช้วงจรหนีบแรงดันไดโอดบวกเพื่อเลื่อนรูปคลื่นไซน์อินพุต 12 Vrms, 100Hz ให้สูงกว่าระดับกราวด์ศูนย์โวลต์ หากตัวคูณปัจจัยหนีบ (𝑘) มีค่าเป็น 40 เท่าของค่าคงที่เวลา โดยใช้ตัวเก็บประจุ 10μF จงคำนวณ: 1. ค่าความต้านทานที่ต้องการ และ 2. ระดับแรงดันสูงสุดใหม่ของรูปคลื่นเอาต์พุต วาดวงจรหนีบแรงดันไดโอด

1. คำนวณค่าความต้านทานของ R

นั่นคือ: C = 10μF และ R = 10kΩ

2. คำนวณแรงดันเอาต์พุตสูงสุดที่เกิดจากการเลื่อนขึ้นในทิศทางบวกของรูปคลื่นอินพุต 12 Vrms ที่กำหนดให้ดังนี้:

ดังนั้น แรงดันเอาต์พุตสูงสุดใหม่จึงมีค่าเท่ากับ 33.24 โวลต์ จากสัญญาณอินพุต 12 Vrms

ตัวอย่างวงจรแคลมป์บวก

วงจรหน่วงไดโอดลบ

ถ้าเราหมุนไดโอดในวงจรเดียวกันให้สัญลักษณ์ลูกศรชี้ลงด้านล่าง จะได้วงจรหนีบแรงดันลบ วงจรหนีบแรงดันลบนี้จะเลื่อนสัญญาณอินพุตไปในทิศทางลงในแนวตั้ง ทำให้แรงดันสูงสุดที่เป็นบวกถูกหนีบไว้ที่กราวด์หรือที่ระดับแรงดันต่ำกว่านั้น ดังแสดงในภาพ

‍

วงจรหนีบแรงดันลบด้วยไดโอดทำงานในลักษณะเดียวกับวงจรหนีบแรงดันบวกก่อนหน้านี้ทุกประการ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ สถานะการนำกระแสและการปิดกั้นของไดโอดจะสลับกันในแต่ละครึ่งรอบของรูปคลื่นอินพุต

เมื่อสัญญาณอินพุตผ่านครึ่งรอบบวก ไดโอดจะได้รับไบแอสตรง (ลัดวงจร) และนำกระแส ทำให้ตัวเก็บประจุชาร์จอย่างรวดเร็ว เนื่องจากไดโอดนำกระแส แรงดันเอาต์พุตที่วัดได้จากตัวต้านทาน (R) จึงไม่เกินแรงดันไบแอสตรงของไดโอด V_{_D} ดังนั้น V _{_OUT} = V_{_D} นั่นคือ แรงดันเอาต์พุตสูงสุด: V _{_OUT(max)} = 0.7 โวลต์

เมื่อตัวเก็บประจุชาร์จเต็มแล้ว แรงดันไฟฟ้าทางด้านขวาของตัวเก็บประจุจะเป็น +V _Dในขณะที่ทางด้านซ้ายของตัวเก็บประจุจะมีแรงดันไฟฟ้าเป็น V _IN(peak)ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าคร่อมแผ่นตัวเก็บประจุ V _Cจึงเท่ากับ V _IN(peak) – V _Dเช่นเดียวกับที่กล่าวมาแล้ว

ในช่วงครึ่งรอบลบ ไดโอดจะอยู่ในสภาวะไบแอสย้อนกลับ (วงจรเปิด) และหยุดนำกระแส ทำให้ตัวเก็บประจุถูกแยกออกจากวงจรอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากค่าคงที่เวลา RC ของการคายประจุในวงจรมีค่ามากกว่าช่วงเวลาของสัญญาณอินพุตมาก ตัวเก็บประจุจึงยังคงมีประจุอยู่ระหว่างช่วงเวลาที่ไดโอดปิดอยู่

วงจรนี้สร้างแรงดันออฟเซ็ตที่เลื่อนรูปคลื่นอินพุตลง โดยแรงดันเอาต์พุตที่วัดผ่านตัวต้านทาน (R) จะมีค่าเป็นสองเท่าของแรงดันอินพุต ดังนั้น VOUT ₌ -2V นั่นคือ แรงดันเอาต์พุตต่ำสุด: VOUT _(min) = -2Vp โวลต์ จึงเป็นที่มาของชื่อ “ตัวหนีบแรงดันลบ” (negative clamper)

สัญญาณอินพุตความถี่แปรผัน

ก่อนหน้านี้เราได้สมมติว่ารูปคลื่นอินพุตมีความถี่คงที่ ดังนั้นค่าคงที่เวลา RC จึงถูกกำหนดไว้ที่ความถี่นั้น แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากความถี่อินพุตเปลี่ยนแปลง วงจรหน่วงสัญญาณไดโอดจะตอบสนองต่อแอมพลิจูดหรือความถี่ที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร

หากสัญญาณอินพุตมีการเปลี่ยนแปลงในแอมพลิจูดหรือความถี่ กลไกการหน่วงจะยังคงพยายามตรึงระดับพื้นฐานหรือระดับอ้างอิงของรูปคลื่นเอาต์พุตตามแรงดันของตัวเก็บประจุ เนื่องจากตัวเก็บประจุจะคายประจุผ่านตัวต้านทาน (หรือโหลด) เมื่อสัญญาณอินพุตลดลงต่ำกว่าระดับนี้

ดังนั้น ค่าคงที่เวลา RC ของวงจรจึงต้องได้รับการเลือกให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานทั้งความถี่สูงและความถี่ต่ำในช่วงสัญญาณอินพุต สำหรับสัญญาณความถี่สูง ค่า τ ที่เล็กกว่า (ค่า RC ที่เล็กกว่า) จะช่วยให้ไดโอดแคลมเปอร์สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วได้ ในขณะที่สัญญาณความถี่ต่ำ ค่า τ ที่ใหญ่กว่า (ค่า RC ที่ใหญ่กว่า) จะช่วยป้องกันไม่ให้ไดโอดแคลมเปอร์เกิดการคลาดเคลื่อนมากเกินไป

กล่าวคือ เมื่อตัวเก็บประจุ C และตัวต้านทาน R ที่กำหนดค่าคงที่เวลา: τ = R x C มีค่าคงที่ ประสิทธิภาพของ “ตัวจำกัด” (𝑘) จะแปรผันไปตามความถี่ของสัญญาณอินพุต ดังนั้นเราจึงต้องเลือกค่า R และ C ให้เหมาะสมกับช่วงความถี่ของสัญญาณอินพุต และ/หรือการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด

ตัวอย่างการทำงานของวงจรหนีบไดโอด หมายเลข 2

จำเป็นต้องใช้วงจรหนีบสัญญาณไดโอดลบเพื่อหนีบสัญญาณอินพุตไซน์แบบแปรผันที่มีแบนด์วิดท์ความถี่ระหว่าง 50Hz ถึง 200Hz ถ้าตัวคูณการหนีบในอุดมคติ (k) เท่ากับ 30 เท่าของค่าคงที่เวลา โดยใช้ตัวเก็บประจุ 47μF จงคำนวณค่าความต้านทานเฉลี่ยที่ต้องการ และค่าตัวคูณการหนีบที่ความถี่ต่ำสุดและสูงสุด

1. คำนวณค่าความต้านทาน R สำหรับทั้งความถี่ต่ำสุดและความถี่สูงสุด

ดังนั้น ค่าความต้านทาน R จึงต้องกำหนดไว้ตรงกลางระหว่างค่าความต้านทานที่คำนวณได้สำหรับช่วงต่ำสุด (50Hz) และช่วงสูงสุด (200Hz) กล่าวคือ:

R = 0.5(R ₅₀ – R ₂₀₀ ) + R ₅₀ = 0.5(3200 – 800) + 800

∴ R = 1200 + 800 = 2000Ω หรือ 2kΩ

2. ค่าตัวประกอบการหนีบที่สอดคล้องกัน ณ ความถี่ต่ำสุดและสูงสุด

ดังนั้น ค่าแฟคเตอร์การหนีบของวงจร: 𝑘 จะแปรผันระหว่าง 18.8 และ 75.2 เมื่อความถี่อินพุตเปลี่ยนแปลง ค่าแฟคเตอร์การหนีบเหล่านี้ยังคงสูงพอที่ความถี่ต่ำเพื่อหนีบรูปคลื่นเอาต์พุตให้อยู่ที่ระดับกราวด์คงที่ด้วย R = 2kΩ และ C = 47uF

วงจรหน่วงไดโอดลบขั้นสุดท้าย

โปรดทราบว่า หากคุณต้องการค่าตัวประกอบการหนีบที่สม่ำเสมอในช่วงความถี่กว้าง คุณอาจต้องปรับ R และ C เพื่อตั้งค่า τ ให้เหมาะสม ควรใช้วงจรหนีบแบบแอคทีฟที่ชดเชยความแปรผันของความถี่อินพุต หรือยอมรับความแปรผันในระดับการหนีบที่ความถี่ต่ำบ้าง ดังที่แสดงไว้

สรุปบทเรียนเกี่ยวกับวงจรหน่วงไดโอด

ในบทเรียนนี้ เราได้เห็นแล้วว่าไดโอดแคลมเปอร์เป็นวงจรปรับรูปคลื่นที่ใช้ในการเปลี่ยนแรงดันอ้างอิงกระแสตรงของรูปคลื่น วงจรแคลมเปอร์แบ่งประเภทตามโหมดการทำงาน คือ การเลื่อนหรือการจำกัดรูปคลื่นอินพุตขึ้นหรือลง

ดังนั้น วงจรหนีบไดโอดจึงอาจเรียกได้ว่าเป็นตัวหนีบบวกหรือตัวหนีบลบ ขึ้นอยู่กับทิศทางของรูปคลื่นที่เปลี่ยนไป เนื่องจากสามารถหนีบยอดบวกหรือยอดลบของรูปคลื่นอินพุตเทียบกับระดับกราวด์ หรือระดับอ้างอิง DC บวกหรือลบได้

วงจรหน่วงแรงดันไดโอดโดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ตัวเดียว (แบบเดียวกับที่ขายในAmazon ) ซึ่งนำกระแสได้เพียงทิศทางเดียว และตัวเก็บประจุที่ให้ค่าชดเชยกระแสตรงจากประจุที่เก็บไว้

ตัวเก็บประจุยังสร้างค่าคงที่เวลา RC กับตัวต้านทานโหลด (R) หรืออิมพีแดนซ์ภายนอก ซึ่งเป็นตัวกำหนดช่วงความถี่ที่วงจรหนีบทำงาน

โปรดทราบว่าเพื่อให้วงจรหนีบไดโอดใช้งานได้จริง ค่าความจุ C ของตัวเก็บประจุควรสูงพอที่จะคงประจุไว้เต็มตลอดช่วงประมาณห้าวัฏจักรของรูปคลื่นอินพุต เนื่องจากต้องใช้เวลาประมาณห้าค่าคงที่เวลาในการคายประจุจนหมด

นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุจะต้องคายประจุลงในโหลดหรือวงจรที่มีอิมพีแดนซ์สูงมาก เพื่อให้ได้ค่าคงที่เวลา RC สูงตามที่ต้องการ (ปัจจัยการหน่วง) ซึ่งจะช่วยให้เกิดเวลาในการชาร์จและคายประจุของตัวเก็บประจุที่ไม่เท่ากันตามที่ต้องการ