الإلكترونيات 1 · أساسيات الإلكترونيات

#09 دائرة قص ذات مصدرين — تحديد بمستويين

استخدام فرعين متعاكسين لتحديد جانبي الموجة واشتقاق نافذتي الديود المثالي والسيليكون 0.7 V.

السؤال

دائرة قص ذات مصدرين بفرعين متعاكسين، في كل منهما ديود ومصدر DC متصلان بعقدة الخرج.
يحدد D1 الحد العلوي ويحدد D2 الحد السفلي، والفرعان متصلان بالخرج والمرجع نفسيهما.

حلّل دائرة القص ذات المصدرين عندما v_i(t) = 10 sin(ωt) V وV_DC1 = 3 V وV_DC2 = 2 V. في نموذج الديود المثالي حدّد مناطق ON وOFF للديودين D1 وD2، وقاعدة الخرج v_o(t)، ونافذة الخرج. ثم أوجد مستويي الانتقال في نموذج السيليكون ذي الهبوط الثابت V_D = 0.7 V.

الحل المكتوب ونص الشرح(يعرض الحل كاملًا)

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

  1. 1. لماذا حدان؟

    دائرة قص ذات مصدرين بفرعين متعاكسين، في كل منهما ديود ومصدر DC متصلان بعقدة الخرج.
    يحدد D1 الحد العلوي ويحدد D2 الحد السفلي، والفرعان متصلان بالخرج والمرجع نفسيهما.

    فرع ديود واحد → مستوى قص واحد

    يُحدّد إما الطرف الموجب أو السالب

    فرعان متعاكسان → عتبتان منفصلتان

    D1 يحدد الحد العلوي وD2 يحدد الحد السفلي

    يُحصر الخرج داخل نافذة جهد

    نص الشرح الصوتي

    أهلاً بكم من جديد. خلال الدروس الأربعة الماضية بنينا اثني عشر شكلاً مختلفاً لدائرة القص. كل دائرة استخدمت ديوداً واحداً ومصدر تيار مستمر واحداً على الأكثر. وهذا يعني أن كل دائرة كانت تقص عند مستوى واحد فقط. إما أن تُقطع القمة الموجبة أو القمة السالبة، لكن ليس كلتيهما معاً. اليوم نسأل: ماذا لو أردنا تحديد الخرج من كلا الجانبين؟ الإجابة بسيطة. نضع فرعين متوازيين مع الخرج. كل فرع يحتوي على ديود خاص به ومصدر تيار مستمر خاص به. فرع يقص القمة الموجبة والآخر يقص القمة السالبة. هذه هي دائرة القص ذات المصدرين، وتسمى أيضاً المحدد ذو المستويين.

  2. 2. قراءة الدائرة

    دائرة قص ذات مصدرين بفرعين متعاكسين، في كل منهما ديود ومصدر DC متصلان بعقدة الخرج.
    يحدد D1 الحد العلوي ويحدد D2 الحد السفلي، والفرعان متصلان بالخرج والمرجع نفسيهما.

    vi → R → عقدة الخرج vo

    D1 + VDC1 → فرع الحد العلوي

    D2 + VDC2 → فرع الحد السفلي

    الفرعان متصلان بعقدة vo نفسها

    بين العتبتين: D1,D2 OFF → vo = vi

    نص الشرح الصوتي

    هذه هي الدائرة. الإشارة الجيبية تمر عبر مقاومة تسلسلية R إلى عقدة الخرج. عند تلك العقدة يتصل فرعان إلى الأرضي. الفرع الأول يحتوي على الديود D1 مع بطارية V DC1. D1 موجه بحيث يوصل عندما يكون الدخل موجباً بما فيه الكفاية. الفرع الثاني يحتوي على الديود D2 مع بطارية V DC2. D2 موجه بالاتجاه المعاكس بحيث يوصل عندما ينخفض الدخل بشكل كافٍ. كل فرع يعمل بشكل مستقل. عندما يكون الدخل في النطاق الأوسط يكون كلا الديودين في حالة عدم توصيل ويتبع الخرج الدخل ببساطة.

  3. 3. المناطق المثالية الثلاث

    مناطق الدخل الثلاث لدائرة القص المثالية ذات المصدرين وحالة الديود في كل منطقة.
    يتبع الخرج الدخل في الوسط ويثبت عند أحد الحدين خارج النافذة.

    عند الانتقال: iD = 0 وvD = 0

    vi > +V1 → D1 ON → vo = +V1

    −V2 ≤ vi ≤ +V1 → كلاهما OFF → vo = vi

    vi < −V2 → D2 ON → vo = −V2

    vo = min(+V1, max(−V2, vi))

    نص الشرح الصوتي

    لنجد جهدي الانتقال. للفرع العلوي نضع التيار يساوي صفراً وجهد الديود يساوي صفراً. قانون كيرشوف للجهد حول الفرع العلوي يعطينا جهد الانتقال V T1 يساوي زائد V1. عندما يتجاوز الدخل زائد V1 يبدأ D1 بالتوصيل ويثبت الخرج عند زائد V1. للفرع السفلي نفس الطريقة تعطينا جهد الانتقال V T2 يساوي سالب V2. عندما ينخفض الدخل تحت سالب V2 يبدأ D2 بالتوصيل ويثبت الخرج عند سالب V2. بين هذين المستويين يكون كلا الديودين في حالة عدم توصيل ويساوي الخرج الدخل. إذاً الدائرة تنشئ ثلاث مناطق مميزة. المنطقة الأولى: الدخل أعلى من زائد V1، الخرج مثبت عند زائد V1. المنطقة الثانية: الدخل بين الانتقالين، الخرج يتبع الدخل. المنطقة الثالثة: الدخل أقل من سالب V2، الخرج مثبت عند سالب V2.

  4. 4. شكل الموجة المثالي

    شكل الخرج المثالي مقصوص عند موجب 3 فولت وسالب 2 فولت.
    تمتد نافذة الخرج المثالية من سالب 2 فولت إلى موجب 3 فولت.

    Vm=10V,V1=3V,V2=2VV_{\mathrm{m}} = 10 V, V_{1} = 3 V, V_{2} = 2 V

    تستوي القمة الموجبة عند +3 V

    يستوي القاع السالب عند −2 V

    يتبع الخرج الموجة الجيبية بين الحدين

    النافذة المثالية: −2 V ≤ vo ≤ +3 V

    نص الشرح الصوتي

    هذا هو شكل الخرج مع ديود مثالي. الدخل موجة جيبية بقيمة عظمى عشرة فولت. كلما ارتفعت الموجة فوق زائد V1 يصبح الخرج مستوياً عند زائد V1. وكلما انخفضت تحت سالب V2 يصبح الخرج مستوياً عند سالب V2. في المنطقة الوسطى يتتبع الخرج شكل الموجة الجيبية الأصلي. النتيجة هي موجة جيبية مقصوصة القمتين. الخرج محصور داخل نافذة جهد من سالب V2 إلى زائد V1. إذا لم يكن V1 يساوي V2 فإن النافذة تكون غير متماثلة.

  5. 5. نافذة السيليكون

    خرج ديود السيليكون مقصوص عند موجب 3.7 فولت وسالب 2.7 فولت.
    ينقل هبوط الديود 0.7 فولت الحدين بعيداً عن الصفر.

    نموذج الهبوط الثابت: VD = 0.7 V

    VT1=VDC1+VD=+3.7VV_{\mathrm{T}}1 = V_{\mathrm{D}}C1 + V_{\mathrm{D}} = +3.7 V

    VT2=−(VDC2+VD)=−2.7VV_{\mathrm{T}}2 = -(V_{\mathrm{D}}C2 + V_{\mathrm{D}}) = -2.7 V

    يتحرك الحدان بعيداً عن الصفر

    نافذة Si: −2.7 V ≤ vo ≤ +3.7 V

    نص الشرح الصوتي

    الآن نضيف انخفاض جهد ديود السيليكون. في هذا المثال V DC1 تساوي ثلاثة فولت وV DC2 تساوي اثنين فولت وكل ديود سيليكون له جهد أمامي V d يساوي 0.7 فولت. الانتقال العلوي يصبح V DC1 زائد V d أي ثلاثة زائد 0.7 يساوي 3.7 فولت. الانتقال السفلي يصبح سالب الكمية V DC2 زائد V d أي سالب الكمية اثنين زائد 0.7 يساوي سالب 2.7 فولت. إذاً نافذة الخرج هي من سالب 2.7 فولت إلى زائد 3.7 فولت. لاحظ أن هذا غير متماثل. مستوى القص الموجب عند 3.7 فولت فوق الصفر لكن مستوى القص السالب عند 2.7 فولت فقط تحت الصفر. لو أردت نافذة متماثلة تجعل V DC1 تساوي V DC2.

  6. 6. ملخص الطريقة

    مقارنة الحدين العلوي والسفلي في نموذج الديود المثالي ونموذج السيليكون.
    تظهر قاعدة min-max العامة ونافذتا الخرج معاً.

    عام: vo = min(VU, max(VL, vi))

    مثالي: VU = +V1, VL = −V2

    Si: VU = VDC1+VD

    Si: VL = −(VDC2+VD)

    أوجد الانتقال ← اختبر المناطق ← ارسم الموجة

    التالي: دوائر التثبيت

    نص الشرح الصوتي

    وبهذا تكتمل سلسلة دوائر القص. غطينا ثلاث عشرة حالة عبر خمسة دروس. القص التسلسلي البسيط حيث الديود على التوالي. القص التسلسلي المنحاز بإضافة مصدر DC على التوالي. القص المتوازي البسيط حيث الديود في الفرع المتوازي. القص المتوازي المنحاز بإضافة مصدر DC للفرع المتوازي. وأخيراً القص ذو المصدرين بدمج فرعين للتحديد عند مستويين. الطريقة الأساسية كانت دائماً نفسها: ضع التيار يساوي صفراً وجهد الديود يساوي صفراً وأوجد جهد الانتقال. الموضوع التالي: دوائر التثبيت. بدلاً من قص القمم تقوم دائرة التثبيت بإزاحة الموجة بأكملها إلى الأعلى أو الأسفل دون تغيير شكلها.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات 09 — دائرة القص ذات المصدرين (5:35)