Pinza de sujeción (electrónica)

Un limitador (o circuito limitador ) es un circuito electrónico que fija las excursiones de pico positivas o negativas de una señal a un voltaje definido mediante la adición de un voltaje CC variable positivo o negativo. ^{[ 2 ]} El limitador no restringe la excursión de pico a pico de la señal (recorte); simplemente desplaza la señal completa hacia arriba o hacia abajo para colocar sus picos en el nivel de referencia.

Un limitador de diodo (un tipo simple y común) consta de un diodo , que conduce corriente eléctrica en una sola dirección e impide que la señal supere el valor de referencia; y un condensador , que proporciona una compensación de CC a partir de la carga almacenada. El condensador forma una constante de tiempo con una resistencia de carga, lo que determina el rango de frecuencias en el que el limitador será efectivo. Si bien el limitador de diodo es extremadamente simple y confiable, una desventaja crítica para muchas aplicaciones es que la caída de tensión directa del diodo depende en gran medida de la temperatura, lo que provoca que la tensión de salida varíe con la temperatura, haciéndolo inadecuado para muchas aplicaciones.

Un limitador de voltaje fija un nivel de voltaje de CC fijo, ya sea el superior o el inferior de una forma de onda. Estos circuitos también se conocen como restauradores de voltaje de CC. Los limitadores de voltaje pueden construirse con polaridad positiva o negativa. Cuando no están polarizados, los circuitos de limitación fijan el límite inferior de voltaje (o el límite superior, en el caso de los limitadores negativos) a 0 voltios. Estos circuitos fijan un pico de una forma de onda a un nivel de CC específico, en comparación con una señal acoplada capacitivamente, que oscila alrededor de su nivel promedio de CC.

La red de limitación de nivel es aquella que "limita" una señal a un nivel de CC diferente. Esta red debe incluir un condensador, un diodo y, opcionalmente, un elemento resistivo o una carga, aunque también puede emplear una fuente de alimentación de CC independiente para introducir un desplazamiento adicional. La magnitud de R y C debe elegirse de forma que la constante de tiempo RC sea lo suficientemente grande como para garantizar que la tensión en el condensador no disminuya significativamente durante el intervalo en que el diodo no conduce.

Los circuitos de sujeción se clasifican según su funcionamiento: negativos o positivos, y polarizados o no polarizados. Un circuito de sujeción positivo (sujetador de pico negativo) genera una forma de onda puramente positiva a partir de una señal de entrada; compensa la señal de entrada de modo que toda la forma de onda sea mayor que 0  V. Un circuito de sujeción negativo es lo opuesto: genera una forma de onda puramente negativa a partir de una señal de entrada. Una tensión de polarización entre el diodo y tierra compensa la tensión de salida en esa cantidad.

Por ejemplo, si se aplica una señal de entrada con un valor pico de 5  V (V _INpeak = 5  V) a una pinza positiva con una polarización de 3  V (V _BIAS = 3  V), el voltaje de salida pico será:

V _{SALIDA pico} = 2 × V _{ENTRADA pico} + V _BIAS

V _{SALIDA pico} = 2 × 5  V + 3  V

V _{SALIDA pico} = 13  V

(La excursión de pico a pico se mantiene en 10  V.)

Positivo e imparcial

En el ciclo negativo de la señal de CA de entrada, el diodo está polarizado directamente y conduce, cargando el condensador hasta el valor negativo máximo de V _IN . Durante el ciclo positivo, el diodo está polarizado inversamente y, por lo tanto, no conduce. La tensión de salida es, por consiguiente, igual a la tensión almacenada en el condensador más la tensión de entrada, ^{[ 3 ]} de modo que V _OUT = V _IN + V _INpeak . Esto también se denomina circuito de Villard .

Imparcial negativo

Un limitador de voltaje negativo sin polarización es lo opuesto a un limitador de voltaje positivo equivalente. En el ciclo positivo de la señal de CA de entrada, el diodo está polarizado directamente y conduce, cargando el condensador hasta el valor pico positivo de V _IN . Durante el ciclo negativo, el diodo está polarizado inversamente y, por lo tanto, no conduce. La tensión de salida es, por consiguiente, igual a la tensión almacenada en el condensador más la tensión de entrada, de modo que V _OUT = V _IN − V _INpeak .

Sesgo positivo

Un limitador de voltaje con polarización positiva es idéntico a un limitador sin polarización equivalente, pero con el voltaje de salida desplazado por la cantidad de polarización V _BIAS . Por lo tanto, V _OUT = V _IN + (V _INpeak + V _BIAS ).

Sesgo negativo

Un limitador de voltaje con polarización negativa es igualmente idéntico a un limitador sin polarización equivalente, pero con el voltaje de salida desplazado en la dirección negativa por la cantidad de polarización V _BIAS . Por lo tanto, V _OUT = V _IN − (V _INpeak + V _BIAS ).

Circuito con amplificador operacional

La figura muestra un circuito de sujeción basado en un amplificador operacional con una tensión de sujeción de referencia distinta de cero. La ventaja reside en que el nivel de sujeción se sitúa precisamente en la tensión de referencia. No es necesario tener en cuenta la caída de tensión directa del diodo (lo cual sí es necesario en los circuitos simples anteriores, ya que se suma a la tensión de referencia). El efecto de la caída de tensión del diodo en la salida del circuito se divide por la ganancia del amplificador, lo que resulta en un error insignificante. El circuito también presenta una gran mejora en la linealidad con señales de entrada pequeñas en comparación con el circuito simple de diodo y es prácticamente insensible a las variaciones de la carga.

La limitación de señal se puede utilizar para adaptar una señal de entrada a un dispositivo que no puede aprovechar el rango de señal de la entrada original o que podría dañarse por él.

Durante la primera fase negativa de la tensión de entrada de CA, el condensador en un circuito limitador positivo se carga rápidamente. Cuando V _in se vuelve positivo, el condensador actúa como duplicador de tensión; dado que ha almacenado el equivalente de V _in durante el ciclo negativo, proporciona prácticamente esa misma tensión durante el ciclo positivo. Esto prácticamente duplica la tensión que recibe la carga. Cuando V _in se vuelve negativo, el condensador actúa como una batería con la misma tensión que V _in . La fuente de tensión y el condensador se contrarrestan mutuamente, lo que resulta en una tensión neta de cero en la carga.

Mediante una fuente de tensión y una resistencia, el limitador de tensión puede polarizarse para fijar la tensión de salida a un valor diferente. La tensión suministrada al potenciómetro será igual a la desviación respecto a cero (suponiendo un diodo ideal) en el caso de un limitador de tensión positivo o negativo (el tipo de limitador determinará la dirección de la desviación). Si se aplica una tensión negativa, ya sea positiva o negativa, la forma de onda cruzará el eje x y se fijará a un valor de esta magnitud en el lado opuesto. También se pueden utilizar diodos Zener en lugar de una fuente de tensión y un potenciómetro, ajustando así la desviación a la tensión Zener.

Los circuitos de sujeción eran comunes en los receptores de televisión analógica . Estos aparatos cuentan con un circuito restaurador de CC que devuelve la tensión de la señal de vídeo a 0  V durante el período de borrado de línea (retroceso). Las interferencias de baja frecuencia, especialmente el zumbido de la red eléctrica, que se inducen en la señal, perjudican la reproducción de la imagen y, en casos extremos, provocan la pérdida de sincronización del aparato . Esta interferencia puede eliminarse eficazmente mediante este método.

• Recortador (electrónica) , un circuito que impone un límite fijo y no compensa la señal.
• Detector de envolvente , un circuito que emite el valor máximo (o mínimo); un limitador con el diodo y el condensador intercambiados.
• diodo Schottky
• Un circuito amortiguador , un circuito que reduce dV/dt o limita el voltaje pico, para reducir el arco eléctrico o la ruptura dieléctrica.

• RM Marston (1991). Manual de circuitos de diodos, transistores y FET . Novedad. págs. 13–17 . ISBN  978-1-4831-3540-3.
• Manual de aplicaciones de rectificadores HB214/D Rev. 2. ON Semiconductor . Noviembre de 2001. págs. 160–161 . 
• JA Coekin (1975). Técnicas de pulsos de alta velocidad . Pergamon. págs. 60–64 . ISBN  978-1-4831-0548-2.