Rangkaian Clipper (Pemotong Sinyal) dengan Dioda
Clipper Dioda, juga dikenal sebagai Dioda Limiter, adalah sebuah rangkaian membentuk rangkaian gelombang yang mengambil bentuk gelombang input dan clip atau cut off bagian atas nya, setengah bawah atau kedua bagian bersama-sama.
Clipper sinyal input ini menghasilkan bentuk gelombang output yang menyerupai versi input yang rata. Sebagai contoh, penyearah setengah gelombang adalah rangkaian clipper, karena semua tegangan di bawah nol dihilangkan.
Tetapi Rangkaian Dioda Clipping dapat digunakan berbagai aplikasi untuk memodifikasi bentuk gelombang input menggunakan dioda Sinyal dan dioda Schottky atau untuk memberikan perlindungan tegangan berlebih menggunakan dioda Zener untuk memastikan bahwa tegangan output tidak pernah melebihi tingkat tertentu yang melindungi rangkaian dari lonjakan tegangan tinggi. Kemudian rangkaian dioda clipper dapat digunakan dalam aplikasi pembatas tegangan.
Kami melihat dalam tutorial Dioda Sinyal bahwa ketika sebuah dioda bias maju memungkinkan arus melewati sendiri clamping/menjepit tegangan. Ketika dioda bias balik, tidak ada arus yang mengalir melaluinya dan tegangan pada terminalnya tidak terpengaruh, dan ini adalah operasi dasar dari rangkaian clipper dioda.
Meskipun tegangan input ke rangkaian clipper dioda dapat memiliki bentuk gelombang apa pun, kita akan mengasumsikan di sini bahwa tegangan input adalah sinusoidal. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Dalam rangkaian clipper dioda ini, dioda bias maju (anoda lebih positif daripada katoda) selama setengah siklus positif dari gelombang input sinusoidal. Agar dioda menjadi bias maju, ia harus memiliki besarnya tegangan input lebih besar dari +0.7 volt (0.3 volt untuk dioda germanium).
Ketika ini terjadi, dioda mulai berjalan dan menahan tegangan pada konstan pada 0.7 V sampai bentuk gelombang sinusoidal turun di bawah nilai ini. Dengan demikian tegangan output yang diambil melintasi dioda tidak pernah dapat melebihi 0.7 volt selama setengah siklus positif.
Selama setengah siklus negatif, dioda bias balik (katoda lebih positif daripada anoda) menghalangi aliran arus melalui dirinya sendiri dan sebagai hasilnya tidak berpengaruh pada setengah negatif dari tegangan sinusoidal yang melewati ke beban tidak berubah. Dengan demikian dioda membatasi setengah positif dari gelombang input dan dikenal sebagai rangkaian clipper positif.
Di sini kebalikannya dari diatas. Dioda bias maju selama setengah siklus negatif dari bentuk gelombang sinusoidal dan membatasi atau clip ke -0.7 volt sambil membiarkan setengah siklus positif untuk lulus tidak berubah ketika bias balik. Karena dioda membatasi setengah siklus negatif dari tegangan input maka disebut rangkaian clipper negatif.
Jika kita menghubungkan dua dioda secara paralel terbalik seperti yang ditunjukkan, maka kedua siklus setengah positif dan negatif akan dipotong sebagai dioda D1 clip setengah siklus positif dari gelombang input sinusoidal sementara dioda D2 clip setengah siklus negatif. Kemudian rangkaian clipper dioda dapat digunakan untuk clip setengah siklus positif, setengah siklus negatif atau keduanya.
Untuk dioda ideal, bentuk gelombang output di atas adalah nol. Namun, karena penurunan tegangan bias maju dioda, titik clipper aktual terjadi pada +0.7 volt dan -0.7 volt masing-masing.
Tetapi kita dapat meningkatkan ambang ± 0.7V ini ke nilai apa pun yang kita inginkan hingga nilai maksimum, ( VPEAK ) dari bentuk gelombang sinusoidal baik dengan menghubungkan bersama lebih banyak dioda dalam seri yang menciptakan kelipatan 0.7 volt, atau dengan menambahkan bias tegangan ke dioda.
Sebagai contoh, jika level VBIAS diatur pada 4.0 volt, maka tegangan sinusoidal pada terminal anoda dioda harus lebih besar dari 4.0 + 0.7 = 4.7 volt agar bias maju. Setiap level tegangan anoda di atas titik bias ini terpotong.
Demikian juga, dengan membalikkan dioda dan tegangan bias baterai, ketika dioda menjalankan setengah siklus negatif dari bentuk gelombang output dipegang ke level –VBIAS - 0.7V seperti yang ditunjukkan.
Variabel dioda clipping atau dioda limiting dapat dicapai dengan memvariasikan tegangan bias dari dioda. Jika baik setengah siklus positif dan negatif harus dipotong, maka dua dioda clipper bias digunakan.
Tetapi untuk clipper dioda positif dan negatif, tegangan bias tidak harus sama. Tegangan bias positif bisa berada di satu tingkat, misalnya 4 volt, dan tegangan bias negatif di lain, misalnya 6 volt seperti yang ditunjukkan.
Ketika tegangan dari setengah siklus positif mencapai 4.7 V, dioda D1 berjalan dan membatasi gelombang di 4.7 V. dioda D2 tidak berjalan sampai tegangan mencapai -6.7 V. Oleh karena itu, semua tegangan positif di atas 4.7 V dan tegangan negatif di bawah –6.7 V secara otomatis terpotong.
Kelebihan dari rangkaian clipper dioda yang bias adalah dapat mencegah sinyal keluaran dari melebihi batas tegangan yang telah ditentukan untuk kedua setengah siklus bentuk gelombang input, yang dapat berupa input dari sensor bising atau rel catu daya positif dan negatif dari catu daya.
Jika level clipper dioda diatur terlalu rendah atau bentuk gelombang input terlalu besar maka penghapusan kedua puncak gelombang bisa berakhir dengan bentuk gelombang gelombang persegi.
Salah satu cara mudah untuk membuat rangkaian clipper dioda yang bias tanpa memerlukan supply ggl (gaya gerak listrik) tambahan adalah dengan menggunakan Dioda Zener.
Seperti yang kita ketahui, Dioda Zener adalah jenis dioda lain yang telah diproduksi secara khusus untuk beroperasi di daerah gangguan bias balik dan dengan demikian dapat digunakan untuk pengaturan tegangan atau aplikasi clipper dioda zener.
Di daerah maju, dioda zener bertindak seperti dioda silikon biasa dengan penurunan tegangan maju 0.7 V (700mV) saat berjalan, sama seperti di atas.
Namun, di daerah bias balik, tegangan diblokir sampai tegangan gangguan dioda zener tercapai. Pada titik ini, arus balik melalui dioda zener meningkat tajam tetapi tegangan zener, VZ di seluruh perangkat tetap konstan walaupun arus zener, IZ bervariasi.
Kemudian kita dapat menempatkan aksi zener ini ke efek yang baik dengan menggunakannya untuk memotong bentuk gelombang seperti yang ditunjukkan.
Dioda zener bertindak seperti rangkaian clipper dioda yang bias dengan tegangan bias yang sama dengan tegangan berakdown zener. Dalam rangkaian ini selama setengah positif dari bentuk gelombang, dioda zener dibiaskan terbalik sehingga bentuk gelombang terpotong pada tegangan zener, VZD1.
Selama setengah siklus negatif dioda zener bertindak seperti dioda normal dengan nilai persimpangan 0.7V yang biasa.
Kita dapat mengembangkan gagasan ini lebih lanjut dengan menggunakan karakteristik tegangan-balik dioda zener untuk memotong kedua bagian gelombang menggunakan seri terhubung dioda zener seperti yang ditunjukkan.
Bentuk gelombang output dari rangkaian clipper dioda zener gelombang penuh menyerupai rangkaian clipper dioda bias tegangan sebelumnya. Bentuk gelombang output akan terpotong pada tegangan zener ditambah drop volt maju 0.7V dari dioda lainnya.
Jadi misalnya, setengah siklus positif akan terpotong pada jumlah dioda zener, ZD1 ditambah 0.7 V dari ZD2 dan sebaliknya untuk setengah siklus negatif.
Dioda zener diproduksi dengan berbagai tegangan dan dapat digunakan untuk memberikan referensi tegangan yang berbeda pada setiap setengah siklus, sama seperti di atas.
Dioda zener tersedia dengan tegangan breakdown zener, VZ mulai dari 2.4 hingga 33 volt, dengan toleransi tipikal 1 atau 5%. Perhatikan bahwa setelah berjalan di wilayah breakdown reverse, arus penuh akan mengalir melalui dioda zener sehingga resistor membatasi arus yang tepat, R1 harus dipilih.
Dalam atau contoh di atas kita mengasumsikan bahwa bentuk gelombang adalah sinusoidal tetapi secara teori bentuk gelombang input apa pun dapat digunakan.
Rangkaian Dioda Clipping digunakan untuk menghilangkan noise amplitudo atau lonjakan tegangan, pengaturan tegangan atau untuk menghasilkan bentuk gelombang baru dari sinyal yang ada seperti mengkuadratkan puncak-puncak gelombang sinusoidal untuk mendapatkan bentuk gelombang persegi panjang seperti terlihat di atas.
Aplikasi paling umum dari "clipper dioda" adalah sebagai dioda roda gila (flywheel) atau roda bebas (free-wheeling) yang terhubung secara paralel melintasi beban induktif untuk melindungi transistor switching dari transien tegangan balik.
Clipper sinyal input ini menghasilkan bentuk gelombang output yang menyerupai versi input yang rata. Sebagai contoh, penyearah setengah gelombang adalah rangkaian clipper, karena semua tegangan di bawah nol dihilangkan.
Tetapi Rangkaian Dioda Clipping dapat digunakan berbagai aplikasi untuk memodifikasi bentuk gelombang input menggunakan dioda Sinyal dan dioda Schottky atau untuk memberikan perlindungan tegangan berlebih menggunakan dioda Zener untuk memastikan bahwa tegangan output tidak pernah melebihi tingkat tertentu yang melindungi rangkaian dari lonjakan tegangan tinggi. Kemudian rangkaian dioda clipper dapat digunakan dalam aplikasi pembatas tegangan.
Kami melihat dalam tutorial Dioda Sinyal bahwa ketika sebuah dioda bias maju memungkinkan arus melewati sendiri clamping/menjepit tegangan. Ketika dioda bias balik, tidak ada arus yang mengalir melaluinya dan tegangan pada terminalnya tidak terpengaruh, dan ini adalah operasi dasar dari rangkaian clipper dioda.
Meskipun tegangan input ke rangkaian clipper dioda dapat memiliki bentuk gelombang apa pun, kita akan mengasumsikan di sini bahwa tegangan input adalah sinusoidal. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Rangkaian Clipper Dioda Positif
Dalam rangkaian clipper dioda ini, dioda bias maju (anoda lebih positif daripada katoda) selama setengah siklus positif dari gelombang input sinusoidal. Agar dioda menjadi bias maju, ia harus memiliki besarnya tegangan input lebih besar dari +0.7 volt (0.3 volt untuk dioda germanium).
Ketika ini terjadi, dioda mulai berjalan dan menahan tegangan pada konstan pada 0.7 V sampai bentuk gelombang sinusoidal turun di bawah nilai ini. Dengan demikian tegangan output yang diambil melintasi dioda tidak pernah dapat melebihi 0.7 volt selama setengah siklus positif.
Selama setengah siklus negatif, dioda bias balik (katoda lebih positif daripada anoda) menghalangi aliran arus melalui dirinya sendiri dan sebagai hasilnya tidak berpengaruh pada setengah negatif dari tegangan sinusoidal yang melewati ke beban tidak berubah. Dengan demikian dioda membatasi setengah positif dari gelombang input dan dikenal sebagai rangkaian clipper positif.
Rangkaian Clipper Dioda Negatif
Di sini kebalikannya dari diatas. Dioda bias maju selama setengah siklus negatif dari bentuk gelombang sinusoidal dan membatasi atau clip ke -0.7 volt sambil membiarkan setengah siklus positif untuk lulus tidak berubah ketika bias balik. Karena dioda membatasi setengah siklus negatif dari tegangan input maka disebut rangkaian clipper negatif.
Clipper Kedua Setengah Siklus
Jika kita menghubungkan dua dioda secara paralel terbalik seperti yang ditunjukkan, maka kedua siklus setengah positif dan negatif akan dipotong sebagai dioda D1 clip setengah siklus positif dari gelombang input sinusoidal sementara dioda D2 clip setengah siklus negatif. Kemudian rangkaian clipper dioda dapat digunakan untuk clip setengah siklus positif, setengah siklus negatif atau keduanya.
Untuk dioda ideal, bentuk gelombang output di atas adalah nol. Namun, karena penurunan tegangan bias maju dioda, titik clipper aktual terjadi pada +0.7 volt dan -0.7 volt masing-masing.
Tetapi kita dapat meningkatkan ambang ± 0.7V ini ke nilai apa pun yang kita inginkan hingga nilai maksimum, ( VPEAK ) dari bentuk gelombang sinusoidal baik dengan menghubungkan bersama lebih banyak dioda dalam seri yang menciptakan kelipatan 0.7 volt, atau dengan menambahkan bias tegangan ke dioda.
Rangkaian Clipper Dioda yang Bias
Untuk menghasilkan rangkaian clipper dioda untuk bentuk gelombang tegangan pada level yang berbeda, tegangan bias, VBIAS ditambahkan secara seri dengan dioda untuk menghasilkan clipper kombinasi seperti yang ditunjukkan. Tegangan melintasi kombinasi seri harus lebih besar dari VBIAS + 0.7V sebelum dioda menjadi cukup maju untuk melakukan bias.Sebagai contoh, jika level VBIAS diatur pada 4.0 volt, maka tegangan sinusoidal pada terminal anoda dioda harus lebih besar dari 4.0 + 0.7 = 4.7 volt agar bias maju. Setiap level tegangan anoda di atas titik bias ini terpotong.
Rangkaian Clipper Dioda Bias Positif
Demikian juga, dengan membalikkan dioda dan tegangan bias baterai, ketika dioda menjalankan setengah siklus negatif dari bentuk gelombang output dipegang ke level –VBIAS - 0.7V seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Clipper Dioda Bias Negatif
Variabel dioda clipping atau dioda limiting dapat dicapai dengan memvariasikan tegangan bias dari dioda. Jika baik setengah siklus positif dan negatif harus dipotong, maka dua dioda clipper bias digunakan.
Tetapi untuk clipper dioda positif dan negatif, tegangan bias tidak harus sama. Tegangan bias positif bisa berada di satu tingkat, misalnya 4 volt, dan tegangan bias negatif di lain, misalnya 6 volt seperti yang ditunjukkan.
Clipper Dioda dari Berbagai Tingkat Bias
Ketika tegangan dari setengah siklus positif mencapai 4.7 V, dioda D1 berjalan dan membatasi gelombang di 4.7 V. dioda D2 tidak berjalan sampai tegangan mencapai -6.7 V. Oleh karena itu, semua tegangan positif di atas 4.7 V dan tegangan negatif di bawah –6.7 V secara otomatis terpotong.
Kelebihan dari rangkaian clipper dioda yang bias adalah dapat mencegah sinyal keluaran dari melebihi batas tegangan yang telah ditentukan untuk kedua setengah siklus bentuk gelombang input, yang dapat berupa input dari sensor bising atau rel catu daya positif dan negatif dari catu daya.
Jika level clipper dioda diatur terlalu rendah atau bentuk gelombang input terlalu besar maka penghapusan kedua puncak gelombang bisa berakhir dengan bentuk gelombang gelombang persegi.
Rangkaian Clipper Dioda Zener
Penggunaan tegangan bias berarti bahwa jumlah gelombang tegangan yang terpotong dapat dikontrol secara akurat. Tetapi salah satu kelemahan utama dari menggunakan rangkaian clipper dioda tegangan bias, adalah bahwa mereka membutuhkan sumber baterai ggl tambahan yang mungkin atau mungkin tidak menjadi masalah.Salah satu cara mudah untuk membuat rangkaian clipper dioda yang bias tanpa memerlukan supply ggl (gaya gerak listrik) tambahan adalah dengan menggunakan Dioda Zener.
Seperti yang kita ketahui, Dioda Zener adalah jenis dioda lain yang telah diproduksi secara khusus untuk beroperasi di daerah gangguan bias balik dan dengan demikian dapat digunakan untuk pengaturan tegangan atau aplikasi clipper dioda zener.
Di daerah maju, dioda zener bertindak seperti dioda silikon biasa dengan penurunan tegangan maju 0.7 V (700mV) saat berjalan, sama seperti di atas.
Namun, di daerah bias balik, tegangan diblokir sampai tegangan gangguan dioda zener tercapai. Pada titik ini, arus balik melalui dioda zener meningkat tajam tetapi tegangan zener, VZ di seluruh perangkat tetap konstan walaupun arus zener, IZ bervariasi.
Kemudian kita dapat menempatkan aksi zener ini ke efek yang baik dengan menggunakannya untuk memotong bentuk gelombang seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Clipper Dioda Zener
Dioda zener bertindak seperti rangkaian clipper dioda yang bias dengan tegangan bias yang sama dengan tegangan berakdown zener. Dalam rangkaian ini selama setengah positif dari bentuk gelombang, dioda zener dibiaskan terbalik sehingga bentuk gelombang terpotong pada tegangan zener, VZD1.
Selama setengah siklus negatif dioda zener bertindak seperti dioda normal dengan nilai persimpangan 0.7V yang biasa.
Kita dapat mengembangkan gagasan ini lebih lanjut dengan menggunakan karakteristik tegangan-balik dioda zener untuk memotong kedua bagian gelombang menggunakan seri terhubung dioda zener seperti yang ditunjukkan.
Clipper Dioda Zener Gelombang Penuh
Bentuk gelombang output dari rangkaian clipper dioda zener gelombang penuh menyerupai rangkaian clipper dioda bias tegangan sebelumnya. Bentuk gelombang output akan terpotong pada tegangan zener ditambah drop volt maju 0.7V dari dioda lainnya.
Jadi misalnya, setengah siklus positif akan terpotong pada jumlah dioda zener, ZD1 ditambah 0.7 V dari ZD2 dan sebaliknya untuk setengah siklus negatif.
Dioda zener diproduksi dengan berbagai tegangan dan dapat digunakan untuk memberikan referensi tegangan yang berbeda pada setiap setengah siklus, sama seperti di atas.
Dioda zener tersedia dengan tegangan breakdown zener, VZ mulai dari 2.4 hingga 33 volt, dengan toleransi tipikal 1 atau 5%. Perhatikan bahwa setelah berjalan di wilayah breakdown reverse, arus penuh akan mengalir melalui dioda zener sehingga resistor membatasi arus yang tepat, R1 harus dipilih.
Ringkasan Clipper Dioda
Selain digunakan sebagai dioda penyearah, dioda juga dapat digunakan untuk memotong/clip bagian atas, atau bawah, atau keduanya dari bentuk gelombang pada level DC tertentu dan meneruskannya ke output tanpa distorsi.Dalam atau contoh di atas kita mengasumsikan bahwa bentuk gelombang adalah sinusoidal tetapi secara teori bentuk gelombang input apa pun dapat digunakan.
Rangkaian Dioda Clipping digunakan untuk menghilangkan noise amplitudo atau lonjakan tegangan, pengaturan tegangan atau untuk menghasilkan bentuk gelombang baru dari sinyal yang ada seperti mengkuadratkan puncak-puncak gelombang sinusoidal untuk mendapatkan bentuk gelombang persegi panjang seperti terlihat di atas.
Aplikasi paling umum dari "clipper dioda" adalah sebagai dioda roda gila (flywheel) atau roda bebas (free-wheeling) yang terhubung secara paralel melintasi beban induktif untuk melindungi transistor switching dari transien tegangan balik.