3.3: Clippers

A veces es útil limitar la amplitud máxima de una señal. Esto podría hacerse para protección, por ejemplo, cuando una señal de entrada demasiado grande podría dañar el siguiente circuito. También podría emplearse como un medio de conformación de onda, es decir, transformar una señal en otra forma. Un buen ejemplo es el deseo puramente estético de emular el sonido de la guitarra “fuzz”. En los primeros días de la música rock se descubrió que sobreconducir un amplificador de guitarra en un intento de hacerlo más fuerte creaba una distorsión considerable y esto producía una nueva e interesante calidad de sonido. Técnicamente, esto se debe en gran parte a que la etapa de potencia del amplificador alcanza su nivel máximo de salida. Cualquier porción de la forma de onda por encima de este nivel es simplemente cortada o recortada ¹. El problema práctico aquí es que la única manera de lograr este sonido es subir el volumen del amplificador de guitarra a diez ² y vivir con el alto nivel de sonoridad asistente. No muy popular entre los vecinos, eso es seguro. Por el contrario, si la señal pudiera limitarse antes de la etapa del amplificador de potencia en un intento de imitar el recorte, el efecto podría lograrse sin la sonoridad resultante. Esto resultó ser tan popular entre los guitarristas que para la década de 1970 numerosas compañías estaban haciendo “fuzz boxes” y “pedales de distorsión”, cada una con su propio giro en el concepto.

La forma más simple de clipper coloca un diodo (o dos diodos paralelos de polaridad contraria) en paralelo con la carga. El diodo limitará la oscilación del voltaje de salida a su potencial de encendido directo; 0.7 voltios para un dispositivo de silicio. Este circuito es algo limitante (juego de palabras intencionado) ya que está atascado con un valor límite de 0.7 voltios. ¿Y si necesitamos limitarnos a algún otro potencial, digamos 12 voltios? Si bien es posible apilar un montón de diodos en serie para aumentar el punto límite, un enfoque más flexible y práctico implica polarizar el diodo con una fuente de CC. Esto se llama clipper de diodos polarizados.

Figura\(\PageIndex{1}\): Cortapelos positivos sesgados.

En la Figura se muestra una cortadora de diodos polarizada utilizada para limitar las señales positivas\(\PageIndex{1}\). La operación es la siguiente. Para cualquier señal de entrada que sea menos positiva que el potencial de polarización\(V_{clip}\), el diodo estará en polarización inversa. Esto significa que la rama de diodo presenta una alta resistencia y se elimina efectivamente del circuito. Por lo tanto,\(V_{in}\) fluye\(R\) a través de la salida sin obstáculos. Si la señal de entrada excede en aproximadamente 0.7 voltios, el diodo se enciende dando como resultado una resistencia interna muy baja.\(V_{clip}\) Como la resistencia interna de la fuente de CC también es muy baja, esto crea una ruta de baja impedancia a tierra y da como resultado un divisor de voltaje con\(R\). Como\(R\) es un valor de resistencia mucho mayor, prácticamente toda la señal de entrada por encima del voltaje de encendido se caerá a través\(R\), nunca llegando a la salida. Por lo tanto, podemos controlar o programar el punto de clip ajustando el voltaje de polarización. El recorte ocurrirá aproximadamente a\(V_{clip}\) más 0.7 voltios, suponiendo que se utilice un diodo de silicio.

Figura\(\PageIndex{2}\): Cortapelos negativos sesgados.

En la Figura se muestra una cortadora con sesgo negativo\(\PageIndex{2}\). Tanto el diodo como los voltajes de polarización de CC se han volteado a la polaridad opuesta. El funcionamiento de este circuito es similar al de la cortadora positiva. En esta variante, el potencial de polarización negativa asegura que el diodo tenga polarización inversa siempre que el nivel de entrada sea más positivo que\(V_{clip}\) menos 0.7 voltios. Una vez que la señal de entrada va por debajo de este voltaje, el diodo se enciende creando la ruta de cortocircuito y limitando el voltaje de salida.

Se puede crear una cortadora bipolar o de doble polaridad combinando las cortadoras positiva y negativa. Es posible limitar las oscilaciones positivas y negativas de forma independiente, como se ilustra en el siguiente Ejemplo.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Determine la señal de salida para el circuito de la Figura\(\PageIndex{3}\). El voltaje de entrada es una onda sinusoidal pico de 12 voltios a 100 Hz. \(D_1\)y\(D_2\) son diodos de conmutación de silicio. \(R = 10\)k\(\Omega\),\(V_1 = 4\) voltios y\(V_2 = 8\) voltios.

Figura\(\PageIndex{3}\): Cortapelos dobles por ejemplo\(\PageIndex{1}\).

En primer lugar, tenga en cuenta que el valor preciso de no\(R\) es importante aquí. Simplemente necesita ser significativamente más grande que la resistencia de encendido de los diodos. Con base en nuestro estudio previo de la resistencia de diodos en el Capítulo 2 (ver la discusión alrededor de la Figura 2.4.3) es probable que la resistencia dinámica del diodo sea inferior a 100\(\Omega\) una vez que se alcance el giro completo. Esta relación de resistencia es más que suficiente para crear un divisor de voltaje efectivo.

El nivel positivo del clip será establecido por\(V_1\). Sumando el potencial directo de\(D_1\) llegamos a 4.7 voltios. El nivel de clip negativo será establecido por\(V_2\). Incluyendo en el potencial directo de\(D_2\) llegamos a −8.7 voltios.

Así, esperamos ver una onda sinusoidal que se recorta a +4.7 voltios y −8.7 voltios. Debería aparecer como una especie de cruce desequijado entre una onda sinusoidal y una onda cuadrada.

Simulación por Computadora

Para verificar y visualizar nuestros cálculos, el circuito de Ejemplo\(\PageIndex{1}\) se simula con un análisis transitorio. El esquema del circuito se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). Para los diodos, se utilizan diodos de conmutación 1N914 comunes.

Figura\(\PageIndex{4}\): Esquema de simulación para cortapelos dobles de Ejemplo\(\PageIndex{1}\).

Los resultados del análisis transitorio se muestran en la Figura\(\PageIndex{5}\). La forma de onda de entrada se muestra en rojo mientras que la forma de onda de salida se muestra en azul. La onda sinusoidal de entrada aparece como se esperaba con el pico de 12 voltios especificado. La salida sigue perfectamente la entrada para todos los valores que están dentro de los puntos de clip. Más allá de los puntos de clip, el voltaje de salida se aplana. Es decir, está limitado a poco por debajo de +5 voltios (el programado +4.7) y a justo por encima de −9 voltios (los −8.7 voltios programados).

La inspección cuidadosa de la gráfica de la forma de onda de salida revela que no es perfectamente plana en los límites de voltaje. De hecho, hay un ligero redondeo que es más notable hacia las transiciones. Esto se debe a que los diodos no se encienden de inmediato. La resistencia dinámica de los diodos cambia con el tamaño de la señal. Es decir, cuanto mayor sea la señal de entrada por encima del punto de clip, más corriente fluirá, y así disminuye la resistencia dinámica, fortaleciendo el efecto del divisor de voltaje.

Figura\(\PageIndex{5}\): Análisis transitorio para clipper dual del Ejemplo\(\PageIndex{1}\).

Referencias

¹ Vamos a echar un vistazo más de cerca al recorte de amplificadores en los capítulos que cubren los amplificadores de potencia.

² O once, si tienes un amplificador Spinal Tap personalizado.