مدارهای برش دهنده یا کلیپر (Clipper) ، مدارهایی هستند که شکل موج را تغییر می‌دهند این مدارها امواج الکتریکی متناوب را دریافت می‌کنند و قسمت بالا یا قسمت پایین یا هر دو قسمت را برش می‌دهند .
به عبارتی دیگر ، خروجی مدارهای برش دهنده تا حدی شباهت به موج ورودی آن دارد با این تفاوت که برخی از قسمت‌های آن مسطح شده به عنوان مثال مدار یکسوساز نیم موج (The half wave rectifier) یک مدار برش است چرا که تمام ولتاژهای زیر صفر آن فیلتر شده‌اند .
مدارهای برش دیودی کاربردهای متفاوتی از جمله تغییر شکل موج ورودی را بر عهده دارند در این مدارها غالباً از دیودهای شاتکی استفاده میشود یا دیودهای زنر برای اینکه اطمینان حاصل شود ولتاژ خروجی هرگز از مقدار معینی تجاوز نمی‌کند به کار برده خواهد شد .
ما در مقاله دیودهای سیگنال آموختیم هنگامی که یک دیود بایاس مستقیم میشود به جریان الکتریکی اجازه خواهد داد تا از مدار عبور کند و هنگامی که دیود بایاس معکوس میشود جریانی از آن عبور نخواهد کرد به همین دلیل ولتاژ دو سر دیود تغییری نمی‌کند .
با وجود اینکه ولتاژ ورودی مدارهای کلیپر دیودی می‌توانند هر نوع شکلی داشته باشند ما در اینجا فرض می‌کنیم که ولتاژ ورودی حالتی سینوسی دارد به مدارهای زیر دقت کنید :
مدار برش دیودی نیم موج مثبت
در این مدار برش دیودی، دیود بایاس مستقیم شده ( ولتاژ آند مثبت تر از ولتاژ کاتد است) در نیمی از سیکل موج سینوسی ورودی ، دیود بایاس مستقیم است در‌واقع اگر دیود بخواهد در حالت بایاس مستقیم قرار بگیرد باید اختلاف ولتاژ بین پایه مثبت با منفی‌اش بیش از ۰/۷ ولت باشد ( در دیودهای ژرمانیوم این مقدار ۰/۳ ولت است ) هنگامی که اختلاف ولتاژ دو سر دیود به ۰/۷+ یا ۰/۳+ برسد دیود شروع به هدایت جریان خواهد کرد و در این حالت، اختلاف ولتاژ ثابت خواهد ماند مگر آنکه مقدار دامنه موج سینوسی از این حد کمتر شود باید این نکته را در نظر داشت که ولتاژ دو سر دیود هرگز از ۰/۷ ولت در حالت بایاس مستقیم تجاوز نخواهد کرد .
در نیمه منفی سیکل موج سینوسی دیود به حالت بایاس معکوس می‌رود ( کاتد از آند مثبت تر است ) در این حالت جریان از دیود عبور نمی‌کند که این امر باعث میشود هیچ تغییری روی نیمه منفی موج اعمال نشود و به طور مستقیم به مصرف کننده برسد بنابراین در این مدار دیود نیمه مثبت موج ورودی را فیلتر می‌کند که آن مدار برش دهنده نیم موج مثبت گفته میشود .
مدار برش دیودی نیم موج منفی
در این مدار (عکس بالا) گفته‌های بالا صدق می‌کند. دیود در نیمه منفی موج سینوسی بایاس مستقیم شده و هنگامی که دامنه‌ی موج ورودی به ۰/۷− ولت کاهش پیدا کند دیگر جریانی را از خود عبور نمی‌دهد در این حالت نیمه مثبت موج بدون هیچ تغییری به مصرف کننده می‌رسد از آن جایی که دیود نیمه منفی موج سینوسی ورودی را برش میدهد به آن مدار کلیپر نیم موج منفی گفته میشود .
مدار برش تمام موج
اگر ما دو دیود را به صورت برعکس با یکدیگر موازی کنیم، هم نیمه منفی موج سینوسی ورودی و هم نیمه مثبت آن توسط دیودها برش داده میشود ( مطابق تصویر دیود D۱ نیمه مثبت موج را برش میدهد و دیود D۲ نیمه منفی موج را فیلتر می‌کند.)
اگر دیودها ایده‌آل در نظر گرفته شوند هیچ خروجی نخواهیم داشت اما به دلیل افت ولتاژ اندکی که در حالت بایاس مستقیم در دو سر دیود به وجود می‌آید عمل برش مدار بین ۰/۷− تا ۰/۷+ ولت رخ نخواهد داد البته ما می‌توانیم این میزان ولتاژ را با سری کردن دیودها به یکدیگر افزایش دهیم .
مدارهای برش دیودی با ولتاژ بایاس مشخص
به منظور اینکه مدار کلیپر ولتاژهای مشخصی را فیلتر کند، یک ولتاژ بایاس Vbias در مدار تعریف میشود. در این حالت المانی خاص که می‌تواند چند دیود باشد با دیود اصلی سری میشود و ولتاژ دو سر دیود اصلی و دیگر المان ها که با یکدیگر سری شده‌اند باید بیش از Vbias+ ۰.۷ باشد تا دیود اصلی در حالت بایاس مستقیم قرار بگیرد. به عنوان مثال اگر ولتاژ بایاس ۴ ولت باشد دامنه موج سینوسی که به دیود اصلی وارد میشود باید بیش از ۴+ ۰/۷ =۴/۷ ولت باشد تا دیود اصلی در حالت بایاس مستقیم قرار بگیرد و ولتاژهای کمتر از ۴/۷ ولت فیلتر خواهند شد .
مدار برش دیودی بایاس مثبت
به همین ترتیب اگر دیود و المان‌های ولتاژ بایاس در حالت معکوس قرار بگیرند، دیود مقدارهای کمتر از Vbias – ۰/۷- را از خود عبور خواهد داد .
مدار برش دیودی بایاس منفی
اگر قرار باشد هم نیمه مثبت موج سینوسی و هم نیمه منفی آن فیلتر شود از دو مدار clipper دیودی بایاس منفی و مثبت استفاده خواهد شد اما لزومی ندارد که ولتاژ بایاس این مدارها با یکدیگر یکسان باشد. به عنوان مثال ولتاژ بایاس مثبت می‌تواند ۴ ولت باشد و ولتاژ بایاس منفی، ۶− ولت. برای درک این مطلب به شکل نگاه کنید .
مدار برش دیودی با سطوح بایاس متفاوت
هنگامی که ولتاژ موج سینوسی به بیش از ۴/۷ ولت برسد دیود D۱ جریان را هدایت می‌کند و موج در مقادیر بیش از ۴/۷ ولت برش می‌خورد همچنین دیود D۲ هدایت را شروع نخواهد کرد مگر آنکه ولتاژ به مقداری کمتر از ۶/۷− ولت برسد. بنابراین تمام قسمت‌های موج که مقدار دامنه آن بالای ۴/۷ ولت و کمتر از ۶/۷− ولت است برش خواهد خورد .
مزیت این‌گونه مدارها این است که می‌توان به وسیله آن‌ها ولتاژ خروجی با سطح دلخواه را تولید کرد و قسمت‌های ناخواسته موج ورودی به این طریق حذف
خواهند شد .
همچنین اگر سطح ولتاژ مدار برشگر بایاس در نیم موج منفی خیلی پایین و در نیم موج مثبت خیلی بالا باشد موج خروجی حالت مربعی خواهد داشت .
مدارهای برش با دیود زنر
ولتاژ بایاس، مقدار ولتاژی که توسط مدار برشگر حذف میشود را کنترل می‌کند اما یکی از مضرات استفاده از مدارهای برشگر دیودی با ولتاژ بایاس مشخص این است که آن‌ها معمولاً به یک باتری emf نیاز دارند که در برخی مواقع ممکن است مشکلاتی را به همراه داشته باشند .
یک راه راحت برای ساخت مدارهای برش با ولتاژ بایاس خاص بدون نیاز به باتری استفاده از دیودهای زنر می‌باشد .
همانطور که میدانیم دیود زنر، دیودی مخصوصی است که برای هدایت جریان در ولتاژ معکوس شکست طراحی شده و می‌تواند به عنوان تنظیم کننده ولتاژ یا در مدارهای برش مورد استفاده قرار بگیرد. در بایاس مستقیم ، دیود زنر مانند یک دیود سیلیکونی معمولی عمل می‌کند که افت ولتاژ دو سر آن ۰/۷ ولت است .
اما در بایاس معکوس، جریان تا زمانی از دیود عبور نمی کند که ولتاژ ورودی به مقدار ولتاژ شکست دیود نرسیده باشد در ولتاژ شکست جریان در جهت معکوس از ترمینال ها عبور خواهد کرد اما ولتاژ زنر VZ در دو سر دیود ثابت باقی می‌ماند و وابسته به تغییرات جریان عبوری از دیود زنر IZ نخواهد بود .
در شکل زیر از دیود زنر به عنوان برش‌دهنده استفاده شده :
مدار برش با دیود زنر
این مدار رفتاری مشابه مدار برش ولتاژ بایاس دارد که ولتاژ بایاس آن مساوی با ولتاژ شکست دیود زنر است. در این مدار در نیمه مثبت موج دیود زنر بایاس معکوس میشود بنابراین بخش‌های بالاتر از ولتاژ شکست برش خواهند خورد اما در نیمه منفی موج ، دیود زنر همانند یک دیود معمولی عمل می‌کند که افت ولتاژ دو سر آن ۰/۷ است .
همچنین ما می‌توانیم با استفاده از دو دیود زنر ولتاژ بایاس را هم برای نیمه مثبت و هم برای نیمه منفی آن تعریف کنیم که این مدار در شکل زیر نشان داده شده :
مدار برش تمام موج با دیود زنر
شکل موج خروجی این مدار به مدار برش تمام موج با دیود معمولی شباهت دارد. در این مدار قسمت‌های مثبت موج که ولتاژی بیشتر از ولتاژ شکست دیود زنر به علاوه ۰/۷ ولت داشته باشد (VZD1+ 0.7) برش خواهد خورد و دیود زنر D۲ نیز بخش‌های منفی موج که مقداری کمتر از (VZD2 – ۰.۷-) داشته باشد را فیلتر می‌کند .
دیودهای زنر در ولتاژ های شکست متفاوتی تولید می‌شوند که به صورت استانداراد بین ۲/۴ تا ۳۳ ولت تغییر می‌کند، البته این دیودها بین ۱ تا ۵ درصد ممکن است خطا داشته باشند. ذکر این نکته خالی از لطف نیست که هنگامی که ولتاژ دو سر دیود زنر به ولتاژ شکست آن برسد جریان به صورت کامل عبور خواهد کرد بنابراین بهتر است یک مقاومت در خروجی دیود به منظور محدود کردن جریانی که به بار اعمال میشود وجود داشته باشد .
خلاصه
- علاوه بر اینکه از دیودها به عنوان یکسوساز استفاده میشود، می‌توان از آن‌ها برای برش بخش خاصی از موج استفاده نمود. البته ما در تمام مثال‌های بالا امواج را سینوسی در نظر گرفته‌ایم اما موج ورودی می‌تواند اشکال متفاوتی داشته باشد .
- مدارهای برش یا کلیپر دیودی برای حذف نویز یا نوسانات شدید ولتاژ یا به دست آوردن یک موج مربعی از موج سیونوسی به کار برده می‌شوند .
- اما بیشتر کاربرد دیودهای برش، به عنوان دیود هرزگرد (Free Wheeling Diode) است. در این حالت آن‌ها به صورت موازی به یک سلف متصل خواهند شد تا از ترانزیستور سوئیچینگ در برابر نوسانات ولتاژ معکوس حفاظت کنند .
دیدگاه خود را بنویسید