Ограничители напряжения: Простейшие способы ограничения напряжений и защиты от кратковременных импульсных перенапряжений

В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения какого-либо сигнала, используются устройства, называемые ограничителями. В подобных цепях находят широкое применение диоды различных видов (импульсные, универсальные, стабилитроны, ограничители и др.).

С помощью импульсных стабилитронов или ограничителей напряжения можно защитить входные (и выходные) цепи различных узлов аппаратуры от воздействия кратковременных импульсных помех и перенапряжений, проникающих в них из-за грозовых разрядов, коммутации индуктивных нагрузок, статических электрических разрядов и т.п. (рис. 3.2‑1...3.2‑4).

Рис. 3.2-1. Схема защиты диодного моста и трансформатора

Рис. 3.2-2. Схема защиты входной и выходной цепей транзисторного усилителя

Рис. 3.2-3. Схема защиты ОУ по цепям питания

Рис. 3.2-4. Схемы защиты ОУ по входным и выходным однополярным (а) и двуполярным (б, в) сигнальным цепям

Обыкновенные универсальные, выпрямительные или импульсные диоды также могут использоваться в схемах ограничения напряжения. Например, если необходимо ограничить уровень напряжения сигнала каким-либо конкретным значением, то подойдет простейшая схема представленная на рис. 3.2-5. Здесь напряжение ограничения составляет примерно 5,6 В. Оно складывается из значения опорного напряжения \(U_{оп} = {5 В}\) и падения напряжения на диоде при прямом смещении (для многих кремниевых диодов ~0,6 В).

Рис. 3.2-5. Простейший одноуровневый диодный ограничитель

Аналогично может быть построена схема и для двухуровневого ограничения (рис. 3.2-6).

Рис. 3.2-6. Двухуровневый диодный ограничитель

Такая и подобные схемы широко используются для защиты различных узлов электронной аппаратуры. Например, входные цепи цифровых микросхем КМОП часто выполняются по схеме приведенной на рис. 3.2-7.

Рис. 3.2-7. Типовая схема защиты входных узлов логических элементов КМОП

На рис. 3.2-8 показан последовательный диодный двусторонний ограничитель, в котором при входных напряжениях ±0,5 В напряжение на выходе практически равно нулю и отличается от нуля, если входное напряжение выходит за указанные рамки. Такой ограничитель позволяет подавить нежелательные сигналы малого уровня (фон, шумы).

Рис. 3.2-8. Последовательный двусторонний диодный ограничитель

На рис. 3.2-9 приведен еще один параллельный диодный двусторонний ограничитель, в котором напряжения ±0,5 В передаются на вход без ограничения, а напряжения, выходящие за эти рамки, ограничиваются.

Рис. 3.2-9. Параллельный диодный ограничитель по уровню ±0,5 В

Для получения уровней ограничения порядка ±0,1...0,3 В можно использовать германиевые диоды или диоды Шоттки, а при необходимости увеличения уровней ограничения до ±1 В , вместо одного диода включают последовательно два или более диодов. Для еще больших напряжений можно использовать стабисторы, светодиоды (в прямом включении), стабилитроны.