วงจรตัดสัญญาณไดโอด

วงจรตัดสัญญาณด้วยไดโอด (Diode Clipper) เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยไดโอดหลายตัว ซึ่งทำหน้าที่ตัดหรือแยกสัญญาณอินพุต เอาต์พุตของวงจรตัดสัญญาณขึ้นอยู่กับทิศทางของไดโอดและสัญญาณอินพุต วงจรดังกล่าวเรียกว่า วงจรตัดสัญญาณด้วยไดโอด (Diode Clipper) สัญญาณที่ถูกตัดออกที่เอาต์พุตจะมีลักษณะราบเรียบเมื่อถึงค่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ และด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่า วงจรจำกัดสัญญาณด้วยไดโอด (Diode Limiter)

วงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นเป็นตัวอย่างของวงจรตัดสัญญาณด้วยไดโอด เพราะเมื่อไดโอดได้รับไบแอสตรง แรงดันใดๆ ที่ต่ำกว่าศูนย์จะถูกตัดออก และในทำนองเดียวกัน เมื่อไดโอดได้รับไบแอสกลับ แรงดันใดๆ ที่สูงกว่าศูนย์จะถูกตัดออก จากนี้จึงเห็นได้ชัดว่า การใช้งานวงจรตัดสัญญาณที่พบได้บ่อยที่สุดคือในวงจรป้องกันแรงดันและวงจรปรับรูปคลื่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่ต้องการให้แรงดันไม่เกินระดับที่กำหนด เช่น ป้องกันแรงดันเกินและแรงดันกระชาก เป็นต้น สามารถใช้ไดโอดทั่วไป ไดโอดซีเนอร์ และไดโอดชอตต์กี เพื่อปรับเปลี่ยนสัญญาณอินพุตได้

โดยทั่วไป ไดโอดแบบธรรมดาและไดโอดชอตต์กีจะใช้ในการปรับเปลี่ยนสัญญาณ ส่วนไดโอดซีเนอร์จะใช้ในวงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้า

หลักการทำงาน

จากบทความก่อนหน้านี้ เราทราบกันดีว่าไดโอดทั่วไปสามารถทำงานได้ทั้งในสภาวะไบแอสตรงและไบแอสกลับ ในสภาวะไบแอสตรง หลังจากแรงดันตกคร่อมค่าหนึ่ง (0.7V สำหรับซิลิคอน และ 0.3V สำหรับเจอร์มาเนียม) กระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหล และแรงดันตกคร่อมไดโอดจะคงที่ (0.7V หรือ 0.3V) ในขณะที่ในสภาวะไบแอสกลับ ไดโอดจะไม่นำกระแส และสัญญาณอินพุตจะสะท้อนกลับผ่านไดโอดโดยไม่เปลี่ยนแปลง กล่าวโดยง่าย สำหรับไดโอดในอุดมคติ มันจะลัดวงจรเมื่อได้รับไบแอสตรง และจะเปิดวงจรเมื่อได้รับไบแอสกลับ

สัญญาณอินพุตสามารถมีรูปแบบหรือรูปร่างใดก็ได้ อาจเป็นแบบทิศทางเดียวหรือสองทิศทางก็ได้ ขึ้นอยู่กับการใช้งานในวงจร สัญญาณไซน์ ซึ่งเป็นสัญญาณสลับ (สองทิศทาง) ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายการตัดสัญญาณด้วยไดโอด

การตัดไดโอดบวก

วงจรตัดสัญญาณด้วยไดโอดบวกจะตัดเฉพาะครึ่งไซน์บวกของสัญญาณอินพุตเท่านั้น

ในรูปด้านบน ในตอนแรก ไดโอดจะไม่นำกระแส (เปิดวงจร) จนกว่าแรงดันอินพุตจะถึงประมาณ 0.7V ในช่วงครึ่งรอบบวก เมื่อไดโอดเริ่มนำกระแส จะมีเพียงแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าเท่านั้นที่เกิดขึ้นกับไดโอด โดยไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันอินพุตครึ่งรอบบวกของคลื่นเอาต์พุตแสดงให้เห็นสิ่งนี้ด้วยรูปทรงที่แบนราบ ในช่วงครึ่งรอบลบไดโอดจะยังคงอยู่ในสภาวะไบแอสย้อนกลับ (เปิดวงจร) และสัญญาณอินพุตทั้งหมดจะปรากฏที่ไดโอด วงจรดังกล่าวจะตัดสัญญาณอินพุตเฉพาะในช่วงรอบบวกเท่านั้น กล่าวคือ แรงดันใดๆ ที่สูงกว่า +0.7V จะถูกตัดออก

การตัดไดโอดเชิงลบ

ตรงกันข้ามกับวงจรตัดแรงดันไดโอดบวก วงจรตัดแรงดันต่อไปนี้จะจำกัดแรงดันเฉพาะในช่วงรอบลบเท่านั้น หลักการทำงานเหมือนกับที่อธิบายไว้สำหรับวงจรตัดแรงดันไดโอดบวก ยกเว้นการไบแอสไดโอดจะตรงกันข้าม วงจรตัดแรงดันลบจะจำกัดแรงดันลบไว้ที่ -0.7V และค่าใดๆ ที่น้อยกว่านี้จะถูกตัดออก

เครื่องตัดผมแบบวงจรบวกและลบ

วงจรตัดแรงดันทั้งบวกและลบรวมกันเป็นวงจรตัดแรงดันที่จำกัดแรงดันในทั้งสองรอบ ไดโอดถูกจัดวางในลักษณะขนานแบบกลับด้าน โดยไดโอดตัวหนึ่งจะนำกระแสในขณะที่อีกตัวหนึ่งยังคงเปิดอยู่ ในช่วงครึ่งรอบบวก ไดโอด D1 _จะนำกระแสและ D2 _จะยังคงเปิดอยู่ การทำงานแบบกลับด้านจะเกิดขึ้นในช่วงครึ่งรอบลบ รูปคลื่นเอาต์พุตจะถูกจำกัดไว้ที่ +0.7V ในช่วงครึ่งรอบบวกและที่ -0.7V ในช่วงครึ่งรอบลบ

วงจรตัดสัญญาณไดโอดไบแอส

ข้อจำกัดด้านแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากวงจรคลิปปิ้งที่ใช้ไดโอดเพียงอย่างเดียวนั้นจำกัดอยู่ที่แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า เพื่อเพิ่มข้อจำกัดดังกล่าว จึงใช้แรงดันไบแอสต่ออนุกรมกับไดโอดเพื่อเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้าที่ไดโอดเริ่มนำกระแส ในวงจรคลิปปิ้งแบบใช้ไดโอดเพียงอย่างเดียวที่ให้แรงดันเป็นบวก ขั้วแคโทดของไดโอดจะมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ และต้องใช้แรงดันไฟฟ้า +0.7V ที่ขั้วแอโนดเพื่อไบแอสไปข้างหน้า อย่างไรก็ตาม เมื่อเพิ่มแรงดันไบแอส เช่น แบตเตอรี่ EMF ต่ออนุกรมกับไดโอด ศักย์ไฟฟ้าของแคโทดจะเพิ่มขึ้นเป็น V _BIAS และในตอนนี้สำหรับการไบแอสไปข้างหน้า จะต้องใช้แรงดันไฟฟ้า +0.7V _BIAS

ไดโอดคลิปเปอร์ไบแอสบวก

ในรูปต่อไปนี้ แสดงวงจรไดโอดคลิปเปอร์แบบไบแอสบวก วงจรนี้จะจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า + 0.7V _BIAS

ไดโอดคลิปเปอร์ไบแอสลบ

คล้ายกับวงจรคลิปเปอร์ไดโอดแบบไบแอสบวก วงจรนี้จะเพิ่มแรงดันไบแอสแบบอนุกรมกับไดโอด แต่มีขั้วกลับกัน แรงดันไบแอสนี้ช่วยให้ไดโอดได้รับไบแอสแบบย้อนกลับ และต้องใช้แรงดันที่สูงขึ้นในการไบแอสไดโอดแบบตรงเมื่อเทียบกับไดโอดที่ไม่มีไบแอส วงจรดังกล่าวจำกัดแรงดันใดๆ ให้ต่ำกว่า -0.7 โวลต์_ไบแอส

ตัวตัดอคติวงจรบวกและลบ

เพื่อตัดทั้งสัญญาณบวกและสัญญาณลบ จึงใช้ไดโอดไบแอสบวกและลบร่วมกัน แรงดันไบแอสสำหรับแต่ละสาขาอาจเท่ากันหรือต่างกันก็ได้ ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดหรือการใช้งานของวงจรตัดสัญญาณ นอกจากนี้ ยังสามารถสร้างวงจรตัดสัญญาณแรงดันแปรผันได้โดยใช้แหล่งจ่ายแรงดันแปรผัน

ในรูปด้านบน มีการใช้แรงดันไบแอสที่แตกต่างกันเพื่อแสดงการทำงานในช่วงรอบบวกและรอบลบ การตัดสัญญาณเกิดขึ้นที่ +0.7+3=3.7V และ -0.7-5=-5.7V สำหรับรอบบวกและรอบลบตามลำดับ

รูปคลื่นเอาต์พุตของสัญญาณที่มีแอมพลิจูดต่ำมากจะถูกตัดออกไปในระดับมาก ทำให้ได้รูปคลื่นสี่เหลี่ยม ในทำนองเดียวกัน สัญญาณที่มีแอมพลิจูดสูงจะถูกตัดออกไปในระดับน้อย ทำให้ได้รูปคลื่นสี่เหลี่ยมเช่นกัน การประยุกต์ใช้วงจรไดโอดคือการกำจัดสัญญาณรบกวน ความผันผวน และสัญญาณรบกวนแบบแหลมคมออกจากสัญญาณอินพุต

ไดโอดซีเนอร์คลิปเปอร์

วงจรตัดแรงดันที่เหมาะสมคือวงจรที่สามารถออกแบบให้จำกัดแรงดันได้อย่างแม่นยำและใช้ส่วนประกอบน้อยที่สุด วงจรตัดแรงดันแบบใช้ไดโอดไบแอสต้องใช้แรงดันไบแอสซึ่งเพิ่มความพยายามและต้นทุนของวงจร ความต้องการแรงดันไบแอสสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการใช้ไดโอดซีเนอร์ในวงจรตัดแรงดัน ดังที่ได้อธิบายไว้ใน บทความเกี่ยวกับ ไดโอดซีเนอร์ ไดโอดซีเนอร์ทำงานเหมือนไดโอดปกติ (แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า 0.7V) เมื่อได้รับไบแอสไปข้างหน้า แต่ในทิศทางย้อนกลับ มันจะเริ่มนำกระแสเหนือแรงดันซีเนอร์ (V _Z ) กระแสย้อนกลับจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในขณะที่แรงดันคร่อมไดโอดซีเนอร์ยังคงค่อนข้างคงที่ การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของกระแสซีเนอร์ต้องการความต้านทานอนุกรมที่เหมาะสมเพื่อป้องกันความเสียหาย

ในแผนภาพต่อไปนี้ ไดโอดซีเนอร์ถูกใช้เพื่อตัดทั้งสองรอบ อย่างไรก็ตาม การตัดรอบลบนั้นค่อนข้างจำกัดด้วยแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า ไดโอดซีเนอร์จะนำกระแสต่ำกว่าแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าในช่วงรอบลบ และจะนำกระแสสูงกว่าแรงดันซีเนอร์ (V _Z ) ในช่วงรอบบวก

ในรูปต่อไปนี้ แสดงวงจรคลิปเปอร์แบบเต็มคลื่นที่ใช้ไดโอดซีเนอร์สองตัว ในวงจรนี้ ทั้งสองรอบจะถูกจำกัดไว้ที่แรงดันซีเนอร์ (V _Z ) ของไดโอดซีเนอร์แต่ละตัว กล่าวคือ Z _D1จำกัดรอบบวก และ Z _D2จำกัดรอบลบไว้ที่ V _Z1และ V _Z2ตามลำดับ

ไดโอดซีเนอร์มีให้เลือกใช้หลากหลายระดับแรงดันซีเนอร์ และสามารถนำมาใช้ในวงจรตัดแรงดันเพื่อจำกัดแรงดันตามต้องการได้ วงจรตัดแรงดันที่ใช้ไดโอดซีเนอร์ส่วนใหญ่ใช้ในวงจรป้องกันแรงดันไฟเกิน

บทสรุป

• วงจรตัดแรงดันจะจำกัดหรือปรับแรงดันให้คงที่ที่ระดับหนึ่ง
• การตัด/ปรับรูปร่างของรูปคลื่นเอาต์พุตขึ้นอยู่กับสัญญาณอินพุตและวงจรเอง
• การตัดสัญญาณสามารถทำได้สำหรับทั้งสองรอบโดยการใช้ไดโอดสองตัว
• สามารถปรับระดับแรงดันตัดที่แตกต่างกันได้โดยใช้แรงดันไบแอสต่ออนุกรมกับไดโอด
• นอกจากนี้ ไดโอดซีเนอร์ยังสามารถใช้ในวงจรตัดสัญญาณได้โดยการใช้งานในย่านการแตกตัวของซีเนอร์ (Zener breakdown region)
• วงจรตัดสัญญาณที่ใช้ไดโอดซีเนอร์ช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้แรงดันไบแอสไดโอด