Zadanie 3.3
Zaprojektuj i oblicz elementy ogranicznika diodowego, którego napięcie wyjściowe nie będzie mniejsze od -4,6V i większe od +4,6V. Do budowy tego ogranicznika użyj tylko rezystorów i diod.


Rozwiązanie
Na rysunku przedstawiony jest układ, który spełnia warunki zadania.

Ogranicznik symetryczny

Jak to działa i jak obliczyć elementy?
W zadaniu tym nie chodzi o to aby zaprojektować doskonały ogranicznik napięcia i aby brać pod uwagę wszystkie czynniki, należy tylko sprawdzić się w prostym obliczaniu elementów i rozumieniu działanie dzielnika napięciowego i diody.
   Widać, że układ jest symetryczny, a więc wystarczy rozpatrzyć jedną jego część, druga będzie identyczna tylko dla napięć o przeciwnej polaryzacji.
   Rozpatrzmy więc "dodatnią" część układu. Dla napięć wejściowych większych od +4,6V napięcie na wyjściu będzie ograniczone do takiej właśnie wartości. Na katodzie diody D1 jest napięcie UR3 wynikające z dzielnika napięcia złożonego z rezystorów R2 i R3. Napięcie to wstępnie polaryzuje diodę w kierunku zaporowym tak, że dla napięć mniejszych od zakładanego napięcia ograniczenia (4,6V) dioda nie przewodzi i napięcie na wyjściu jest równe napięciu wejściowemu. Zakładany spadek napięcia na przewodzącej diodzie to UD=0,6V. Jeżeli napięcie na wejściu wzrośnie na tyle aby spolaryzować diodę w kierunku przewodzenia (UD=0,6V) to napięcie na wyjściu będzie równe sumie spadków napięć na diodzie D1 i na rezystorze R3.

Uwy=UD+ UR3

Skoro napięcie na wyjściu ma być ograniczone do wartości 4,6V, a spadek napięcia na diodzie jest równy 0,6V to z tego wynika, że napięcie UR3 musi być równe 4V.

Aby wyliczyć wartości rezystorów R2 i R3 należy zrobić kilka założeń i obliczeń:
- przyjąć napięcie zasilające np. Ucc=12V
- obliczyć podział napięcia zasilającego na dzielniku
- wyliczyć stosunek rezystorów dzielnika
- przyjąć wartość któregoś z rezystorów i obliczyć drugi

Najpierw należy obliczyć jaką częścią założonego napięcia zasilania UCC=12V jest napięcie UR3=4V

UR3/UCC=4/12 [V/V]=1/3

Widać, że podział napięcia musi być w stosunku 1/3. Przy pewnej wprawie można od razu powiedzieć, że dzielnik który zrealizuje taki podział musi mieć rezystory o wartości R3=R i R2=2R. A oto jak do tego dojść nie mając jeszcze tej wprawy.

Należy skorzystać z wzoru na dzielnika napięcia i kolejno go przekształcać tak aby otrzymać stosunek R3/R2 lub R2/R3:

UR3=UCC · R3/(R3 + R2)

UR3/UCC=R3/(R3 + R2)

4/12 [V/V]=R3/(R3 + R2) [W/W]

1/3=R3/(R3 + R2)


Kolejne przekształcenia matematyczne ostatniego wzoru doprowadzą w końcu do postaci:

R2/R3=2


Wystarczy teraz przyjąć wartość rezystora R2=4kW i już można wyliczyć, że rezystor R3=2kW.
   Ponieważ układ jest symetryczny, to bez obliczania można przyjąć, że:

R2=R5=4kW       R3=R4=2kW


Uwaga: przy doborze par rezystorów R2 i R3 oraz R4 i R5 należy zadbać o to aby ich rezystancja zastępcza czyli rezystancja połączonych równolegle R2 i R3 oraz R4 i R5 (źródła napięć zasilających należy potraktować jak zwarcie do masy) była mała w porównaniu z rezystorem R1, gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źródła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia.


Zadanie opracowane na podstawie ćwiczenia z książki "Sztuka elektroniki" - P.Horowitz i W.Hill