Limitação de sinais com diodos

Um limitador em derivação mantém o diodo fora do caminho principal do sinal. A fonte alimenta o nó de saída através de uma resistência em série; do nó de saída, o diodo segue até a referência comum (0 V).

Com carga de alta impedância, quase não há corrente na carga. Enquanto o diodo está desligado, a saída acompanha aproximadamente a entrada. Quando a tensão tenta ultrapassar o limiar de condução, o diodo cria um caminho para desviar corrente e impede que a saída aumente livremente naquela polaridade.

Para recortar a excursão positiva, conecte o ânodo do diodo ao nó de saída e o cátodo à referência.

Quando v_out tenta ficar positiva além da queda direta adotada no modelo, o diodo entra em condução. Parte da corrente passa pelo diodo para a referência, a queda no resistor aumenta e a saída fica próxima de +V_F.

Por exemplo, usando V_F ≈ 0,7 V, os picos positivos ficam aproximadamente em +0,7 V. Na parte negativa, o diodo está reversamente polarizado e, neste modelo sem carga significativa, a saída acompanha a entrada.

Para recortar a excursão negativa, inverta o diodo: conecte o cátodo ao nó de saída e o ânodo à referência.

Agora ele fica diretamente polarizado quando v_out tenta ficar negativa além de aproximadamente −V_F. A saída é mantida próxima de −0,7 V no exemplo, enquanto a excursão positiva passa sem limitação relevante.

A orientação do símbolo revela qual polaridade será desviada para a referência.

A resistência em série é indispensável. Durante o recorte, a diferença entre a tensão da fonte e a tensão limitada aparece principalmente nessa resistência. Ela limita a corrente que a fonte entrega ao ramo do diodo.

Sem essa impedância, ligar um diodo diretamente a uma fonte ideal quando ele conduz equivaleria a tentar impor tensões incompatíveis com corrente sem limite no modelo. Isso pode danificar uma fonte real ou o diodo.

Aqui, trate somente sinais lentos, de baixa tensão e energia limitada. Nunca conecte este tipo de circuito diretamente à rede elétrica.

Para limitar as duas polaridades, coloque dois diodos PN em antiparalelo entre o nó de saída e a referência comum. Eles ficam em sentidos opostos: quando um está diretamente polarizado, o outro está reversamente polarizado.

Com carga de alta impedância, enquanto a entrada estiver entre os limiares, praticamente não há corrente no ramo dos diodos e a saída acompanha a entrada. Acima do limiar positivo, um diodo desvia corrente; abaixo do limiar negativo, o outro faz isso.

A resistência em série, estudada no limitador unilateral, continua obrigatória para limitar essa corrente.

Considere diodos com queda direta aproximada fornecida de V_F = 0,65 V.

• Se a entrada tenta levar a saída acima de +0,65 V, o diodo orientado para a excursão positiva conduz. Assim, a saída fica aproximadamente em +0,65 V.
• Se a entrada tenta levar a saída abaixo de −0,65 V, o outro diodo conduz. A saída fica aproximadamente em −0,65 V.

Entre −0,65 V e +0,65 V, a saída acompanha a entrada. Portanto, para este modelo:

v_out ≈ v_in, se −0,65 V ≤ v_in ≤ +0,65 V;

v_out ≈ +0,65 V, acima desse intervalo;

v_out ≈ −0,65 V, abaixo dele.

Não use 0,65 V como valor universal: o valor adotado deve ser o informado para o diodo e a condição do caso.

Para obter um recorte bilateral em tensões maiores que a queda direta de um diodo, use dois Zeners em oposição série, ligados entre o nó de saída e a referência comum.

A associação tem os cátodos unidos. A fonte continua ligada à saída por uma resistência em série, que limita a corrente quando o ramo passar a conduzir. Considere inicialmente uma carga de alta impedância.

Não confunda esta montagem com dois Zeners em antiparalelo: aqui os diodos estão em série no ramo limitador.

Na excursão positiva, a corrente atravessa o ramo em um sentido: um Zener fica reversamente polarizado e entra em ruptura, enquanto o outro fica diretamente polarizado.

Na excursão negativa, o sentido da corrente se inverte: os papéis dos dois Zeners também se invertem. Em ambos os casos, há uma soma de quedas no ramo.

Compare as três opções sob a hipótese de carga de alta impedância.

Considere a fonte como seu equivalente de Thévenin: v_in é a tensão da fonte em vazio e R_s é sua resistência interna. O resistor acrescentado R fica em série com ela; por isso, a resistência total que alimenta o nó é:

R_T = R_s + R

No nó de saída estão a carga R_L e o ramo limitador. A carga não pode ser ignorada: mesmo antes de qualquer diodo conduzir, ela forma um divisor de tensão com R_T.

Quando o ramo limitador está desligado, calcule primeiro a saída apenas pelo divisor:

v_out = v_in × R_L / (R_T + R_L)

Compare esse resultado com o limiar do limitador. O recorte só começa se a tensão no nó v_out, calculada sem condução, tentar ultrapassar o limiar. Portanto, não compare diretamente v_in com o limiar quando houver R_T e R_L.

Durante a condução, defina os sentidos positivos assim:

• i_R entra no nó de saída pelo caminho R_T;
• i_L sai do nó pela carga rumo à referência;
• i_D sai do nó pelo ramo limitador rumo à referência.

Com essa convenção:

i_R = (v_in − v_out) / R_T

i_L = v_out / R_L

i_D = i_R − i_L

A última expressão é a lei das correntes no nó. Para uma excursão negativa, os valores podem resultar negativos nessa convenção; isso indica que o sentido físico da corrente se inverte.

Comece pelos extremos reais do sinal

Use o maior e o menor valor instantâneo especificados para v_in, já incluindo qualquer componente contínua. Não use somente a amplitude AC.

Com carga de alta impedância, durante o recorte:

|I_D| ≈ (|V_in| − |V_lim|) / (R_s + R)

• R_s: resistência série da fonte;
• R: resistor externo a escolher;
• V_lim: módulo do limiar do ramo limitador.

Faça uma conta para o extremo positivo e outra para o negativo. O lado que resultar na maior corrente determinará a resistência total mínima.

Como R_T = R_s + R, a resistência externa mínima é:

R ≥ 840 Ω − 220 Ω = 620 Ω

Um valor comercial adequado acima desse mínimo é 680 Ω. Não some R_s de novo: ela já foi incluída ao calcular os 840 Ω.

Com R = 680 Ω, temos R_T = 900 Ω. As correntes aproximadas ficam abaixo de 5 mA.

A verificação não termina com o valor nominal do resistor.

Corrente máxima possível: use a menor resistência total prevista e considere a saída sem carga, quando essa condição puder ocorrer. Nesse caso, toda a corrente que chega ao nó pode passar pelo ramo limitador. Um resistor de 680 Ω ±5% pode valer 646 Ω; então R_T,mín = 220 + 646 = 866 Ω. No pico de +10 V, a corrente aproximada é 4,2 / 866 = 4,85 mA, ainda abaixo de 5 mA.

Corrente suficiente para o Zener com carga: na condição de carga que consome mais corrente, calcule i_R e subtraia a corrente da carga: i_D = i_R − i_L. Deve restar a corrente mínima adotada para que o V_Z usado no modelo seja plausível.

O limiar calculado com valores nominais é apenas uma referência. Em um limitador real, a queda direta V_F e a tensão de ruptura V_Z variam com a corrente, a temperatura e a dispersão entre componentes.

Para um par de Zeners em oposição série, cada patamar é estimado somando, no mesmo sentido de corrente:

|V_lim| = V_Z + V_F

Use faixas fornecidas para as condições previstas, e não um único número “típico”. A soma dos mínimos dá o menor módulo de recorte; a soma dos máximos dá o maior módulo.

No par em oposição série, em cada polaridade um componente está em ruptura reversa e o outro conduz diretamente. Portanto, a faixa positiva e a negativa têm módulo estimado pela mesma soma quando os dois Zeners são equivalentes:

• mínimo: 5,60 + 0,62 = 6,22 V
• máximo: 5,70 + 0,82 = 6,52 V

Assim, a saída pode recortar aproximadamente entre +6,22 V e +6,52 V, ou entre −6,22 V e −6,52 V. Isso não significa que a saída salta instantaneamente para esses valores: a corrente cresce de modo gradual perto do início da condução.

Quando o limitador conduz, confira a potência de cada componente no pior ponto do sinal.

• Resistor externo: p_R = i_R² × R. Use a corrente total que passa pelo resistor, incluindo a parcela destinada à carga e a parcela desviada pelos diodos.
• Diodo em condução direta: p_D ≈ V_F × |i_D|.
• Zener em ruptura: p_Z ≈ V_Z × |i_D|.

Se houver carga, não substitua automaticamente i_R por i_D: pelo nó de saída, vale i_R = i_L + i_D nos sentidos de referência definidos anteriormente.

Potências instantâneas durante cada patamar ativo:

• Resistor: p_R = (4,2 mA)² × 1,0 kΩ = 17,6 mW.
• Zener em ruptura: p_Z = 5,1 V × 4,2 mA = 21,4 mW.
• Outro Zener, direto: p_F = 0,7 V × 4,2 mA = 2,9 mW.

Não atribua 21,4 mW + 2,9 mW a um único Zener. Em cada polaridade, essa potência se reparte entre os dois componentes; na polaridade oposta, os papéis se invertem.

Como os patamares +10 V e −10 V ocupam juntos 4 ms de 10 ms, o resistor conduz por 40% do período:

P_R,média = 17,6 mW × 0,40 = 7,0 mW

Cada Zener fica 20% do período em ruptura e 20% em condução direta:

P_Z,média = 21,4 mW × 0,20 + 2,9 mW × 0,20 = 4,9 mW

Compare tanto os picos instantâneos quanto as médias com os limites e as condições informadas para os componentes: temperatura ambiente, montagem e repetição do sinal. Escolha valores com margem, não no limite calculado.

No exemplo, qual é a potência média aproximada de cada Zener no sinal de 10 ms?

Caso de validação

Um sinal lento se repete a cada 10 ms: +12 V por 2 ms, 0 V por 6 ms e −12 V por 2 ms. A fonte é representada por v_in em série com R_s = 100 Ω. Durante o funcionamento normal, há uma carga R_L = 10 kΩ entre a saída e a referência comum.

A aplicação exige limitação bilateral: o módulo de v_out não pode ultrapassar 6,30 V. Para entradas com módulo de até 4,0 V, quando o limitador deve ficar desligado, a atenuação causada pela resistência série e pela carga deve ser de no máximo 10%.

Valide uma configuração para este sinal específico. A condição de saída sem carga também deve ser verificada, pois ela pode produzir a maior corrente no ramo limitador.