WorksheetsCircuiti clipper con Zener
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Worksheet time: 30mins
Considera questo circuito clipper che utilizza un diodo raddrizzatore (1N4007) con tensione diretta di 0,7 V e un diodo Zener con tensione di Zener di 3,9 V. Se l'ingresso Vi è un'onda sinusoidale con valore di picco 6V, come si comporta l'uscita?
• Per bassi valori di 𝑉𝑖, i diodi non conducono e 𝑉𝑜 = 𝑉𝑖.
• Quando la tensione 𝑉𝑖 aumenta oltre la soglia di conduzione del diodo Zener + 1N4007, cioè:
𝑉𝑖 > 𝑉𝑍 + 𝑉𝐷1 = 3,9𝑉 + 0,7𝑉 = 4,6𝑉
il diodo Zener entra in regione di breakdown e il diodo 1N4007 conduce.
• In questa condizione, la tensione di uscita viene limitata a circa 4,6𝑉, indipendentemente dall'ulteriore aumento di 𝑉𝑖.
• Quando 𝑉𝑖 è negativo, i diodi non conducono, quindi l'uscita segue l'ingresso.
Conclusioni
Per 𝑉𝗂 compreso tra −0,7𝑉 e 4,6𝑉, l'uscita segue l'ingresso: 𝑉𝗈 = 𝑉𝗂.
Per 𝑉𝗂 > 4,6𝑉, la tensione è limitata a 4,6𝑉.
Per 𝑉𝗂 < −0,7𝑉, l'uscita segue l'ingresso: 𝑉𝗈 = 𝑉𝗂.
• Per bassi valori di 𝑉𝑖, i diodi non conducono e 𝑉𝑜 = 𝑉𝑖.
• Quando la tensione 𝑉𝑖 aumenta oltre la soglia di conduzione del diodo Zener + 1N4007, cioè:
𝑉𝑖 > 𝑉𝑍 + 𝑉𝐷1 = 3,9𝑉 + 0,7𝑉 = 4,6𝑉
il diodo Zener entra in regione di breakdown e il diodo 1N4007 conduce.
• In questa condizione, la tensione di uscita viene limitata a circa 4,6𝑉, indipendentemente dall'ulteriore aumento di 𝑉𝑖.
• Quando 𝑉𝑖 diventa negativo, il diodo 1N4007 si polarizza direttamente e inizia a condurre a quando 𝑉𝑖 supera -0,7𝑉.
Pertanto, la tensione di uscita viene limitata anche inferiormente a -0,7𝑉, secondo la seguente relazione:
Conclusioni
Per 𝑉𝗂 compreso tra −0,7𝑉 e 4,6𝑉, l'uscita segue l'ingresso: 𝑉𝗈 = 𝑉𝗂.
Per 𝑉𝗂 > 4,6𝑉, la tensione è limitata a 4,6𝑉.
Per 𝑉𝗂 < −0,7𝑉, la tensione è limitata a −0,7𝑉.
Considera questo circuito clipper che utilizza un diodo raddrizzatore (1N4007) con tensione diretta di 0,7 V e un diodo Zener con tensione di Zener di 3,9 V. Se l'ingresso Vi è un'onda sinusoidale con valore di picco 6V, come si comporta l'uscita?
Considera questo circuito clipper che utilizza un diodo raddrizzatore (1N4007) con tensione diretta di 0,7 V e un diodo Zener con tensione di Zener di 3,9 V. Se l'ingresso Vi è un'onda sinusoidale con valore di picco 6V, come si comporta l'uscita?
Considera questo circuito clipper che utilizza due diodi Zener con tensione diretta di 0,7 V e con tensione di Zener di 7,5 V. Se l'ingresso Vi è un'onda sinusoidale con valore di picco 30V, come si comporta l'uscita?
𝟏: 𝑺𝒆𝒎𝒑𝒍𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒛𝒊𝒐𝒏𝒆 𝒄𝒐𝒏 𝒊𝒍 𝒕𝒆𝒐𝒓𝒆𝒎𝒂 𝒅𝒊 𝑻𝒉𝒆𝒗𝒆𝒏𝒊𝒏
𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒛𝒂 𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒊 𝑻𝒉𝒆𝒗𝒆𝒏𝒊𝒏 (𝑹ₜₕ)
La resistenza equivalente vista ai capi dei diodi è data dalla combinazione di 𝑅₁ e 𝑅₂ in parallelo:
𝑅ₜₕ = (𝑅₁ ⋅ 𝑅₂) / (𝑅₁ + 𝑅₂) = (2000 ⋅ 1000) / (2000 + 1000) = 2000000 / 3000 = 666,67 Ω
𝑻𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒆 𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒊 𝑻𝒉𝒆𝒗𝒆𝒏𝒊𝒏 (𝑽ₜₕ)
La tensione equivalente ai capi di 𝑅₂ (vista dal ramo dei diodi) è calcolata utilizzando il partitore di tensione:
𝑉ₜₕ = 𝑉ᵢ ⋅ (𝑅₂ / (𝑅₁ + 𝑅₂)) = 𝑉ᵢ ⋅ (1000 / (2000 + 1000)) = 𝑉ᵢ ⋅ (1/3)
Quindi, la tensione equivalente è:
𝑉ₜₕ = 𝑉ᵢ / 3
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𝑷𝒂𝒔𝒔𝒐 𝟐: 𝑨𝒏𝒂𝒍𝒊𝒔𝒊 𝒅𝒆𝒍 𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒆𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆
Dopo la semplificazione, il circuito visto dai diodi è composto da una sorgente di tensione 𝑉ₜₕ = 𝑉ᵢ / 3 in serie con una resistenza equivalente 𝑅ₜₕ = 666,67 Ω.
Ora possiamo analizzare il comportamento dei diodi Zener in base ai valori di 𝑉ₜₕ:
𝑪𝒐𝒎𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆𝒍 𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒔𝒆𝒎𝒑𝒍𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒕𝒐
- Quando |𝑉ₜₕ| < 7,5V:
- Nessun diodo conduce.
- La tensione ai capi del ramo segue 𝑉ₜₕ.
- Quando 𝑉ₜₕ > 7,5V + 0,7V = 8,2V:
- Il diodo Zener in breakdown inverso limita la tensione.
- Il diodo polarizzato direttamente ha una caduta di 0,7V.
- La tensione di uscita è:
𝑉ᵤ = 𝑉ₜₕ ⋅ (𝑅₂ / (𝑅₁ + 𝑅₂))
- Quando 𝑉ₜₕ < -8,2V:
- Il diodo opposto entra in breakdown inverso e il comportamento è simmetrico.
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𝑷𝒂𝒔𝒔𝒐 𝟑: 𝑷𝒂𝒔𝒔𝒂𝒈𝒈𝒊𝒐 𝒂𝒍 𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒄𝒐𝒏 𝒈𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒕𝒐𝒓𝒆 𝑽ᵢ
Dal circuito semplificato con Thevenin, abbiamo trovato che:
|𝑉ₜₕ| ≤ 8,2V
Ora sostituiamo 𝑉ₜₕ = 𝑉ᵢ / 3:
|𝑉ᵢ / 3| ≤ 8,2V
Moltiplicando entrambi i membri per 3:
|𝑉ᵢ| ≤ 24,6V
Ora possiamo definire la tensione di uscita 𝑉ᵤ in funzione di 𝑉ᵢ:
𝑉ᵤ =
⎧
𝑉ᵢ, se |𝑉ᵢ| < 24,6V
8,2V ⋅ (𝑅₂ / (𝑅₁ + 𝑅₂)), se 𝑉ᵢ > 24,6V
-8,2V ⋅ (𝑅₂ / (𝑅₁ + 𝑅₂)), se 𝑉ᵢ < -24,6V
⎭
Ora, calcoliamo il valore esatto della tensione massima di uscita:
𝑉ᵤₘₐₓ = 8,2V ⋅ (1000 / 3000) = 8,2V ⋅ (1/3) = 2,73V
Quindi il comportamento corretto del circuito è:
𝑉ᵤ =
⎧
𝑉ᵢ, se |𝑉ᵢ| < 24,6V
2,73V, se 𝑉ᵢ > 24,6V
-2,73V, se 𝑉ᵢ < -24,6V
⎭
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𝑷𝒂𝒔𝒔𝒐 𝟒: 𝑰𝒏𝒕𝒆𝒓𝒑𝒓𝒆𝒕𝒂𝒛𝒊𝒐𝒏𝒆
- Per tensioni inferiori a ±24,6V, il circuito segue l’ingresso.
- Quando 𝑉ᵢ supera ±24,6V, l’uscita è limitata a ±2,73V.
- Il circuito quindi clippa la tensione a ±2,73V invece di ±8,2V perché il partitore di tensione attenua la tensione ai capi dei diodi.
𝑷𝒂𝒔𝒔𝒐 1: 𝑪𝒐𝒎𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒅𝒆𝒍 𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 𝒆𝒓𝒓𝒂𝒕𝒐
1. Per |𝑉ᵢ| < 7,5V:
- Nessun diodo conduce.
- La tensione di uscita segue 𝑉ᵢ , quindi 𝑉ᵤ = 𝑉ᵢ .
2. Per 𝑉ᵢ > 7,5V + 0,7V = 8,2V:
- Il diodo Zener superiore entra in breakdown inverso, limitando la tensione ai capi del carico a 7,5V.
- Il diodo Zener inferiore è polarizzato direttamente, quindi ha una caduta di 0,7V.
- la tensione di uscita sia direttamente uguale alla somma delle due cadute di tensione:
𝑉ᵤ = 7,5V + 0,7V = 8,2V.
3. Per 𝑉ᵢ < -8,2V:
- Il diodo Zener inferiore entra in breakdown inverso con una tensione di 7,5V.
- Il diodo Zener superiore è polarizzato direttamente, quindi ha una caduta di 0,7V.
- la tensione di uscita sia direttamente uguale alla somma delle due cadute di tensione:
𝑉ᵤ = - (7,5V + 0,7V) = -8,2V.
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𝑷𝒂𝒔𝒔𝒐 𝟑: 𝑺𝒐𝒍𝒖𝒛𝒊𝒐𝒏𝒆 𝒅𝒆𝒍𝒍𝒂 𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒆 𝒅𝒊 𝒖𝒔𝒄𝒊𝒕𝒂
S la tensione di uscita è:
𝑉ᵤ =𝑉ᵢ, se |𝑉ᵢ| < 7,5V
𝑉ᵤ = 8,2V, se 𝑉ᵢ > 8,2V
𝑉ᵤ = -8,2V, se 𝑉ᵢ < -8,2V
