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Un “ clipper ” est un circuit fondamental en électronique, souvent implémenté sur des circuits imprimés (PCB). Pour ceux qui se demandent “Qu'est-ce qu'un circuit imprimé ?“Il s'agit de la base de l'électronique moderne, servant de plateforme pour le montage et la connexion de composants électroniques. Le nom du clipper décrit sa fonction principale : il “ coupe ” ou “ limite ” un signal électrique. Imaginez une forme d'onde dessinée sur du papier. Cette onde a des pics (parties hautes) et des creux (parties basses). Maintenant, visualisez l'utilisation de ciseaux pour couper horizontalement le sommet de cette onde. Toutes les parties de l'onde qui se trouvaient au-dessus de votre coupe sont désormais supprimées. Le sommet de l'onde est désormais plat. C'est exactement la fonction d'un circuit limiteur sur un circuit imprimé. Il supprime une partie du signal qui est supérieure à une certaine tension.
Un circuit clipper, lorsqu'il est conçu et intégré dans un schéma de carte de circuit imprimé à l'aide d'un logiciel de conception de circuits imprimés tel qu'Altium Designer, peut également supprimer la partie inférieure du signal. Il est possible de couper la partie inférieure de l'onde papier, la rendant ainsi plate. Un clipper effectue cette opération pour les signaux qui descendent en dessous d'une certaine tension. Un clipper est donc un circuit électronique couramment utilisé dans les Conception de circuits imprimés personnalisés. Il supprime ou limite certaines parties d'un signal d'entrée. Il le fait sans déformer la partie restante du signal. Nous pouvons utiliser des écrêteurs pour supprimer la partie positive d'un signal, et nous pouvons les utiliser pour supprimer la partie négative d'un signal. Nous pouvons également utiliser des écrêteurs pour supprimer à la fois les parties positives et négatives.
Nous examinerons leur conception, les composants qu'ils utilisent et leur importance dans le domaine de l'électronique.
L'objectif des circuits Clipper
Nous devons d'abord nous interroger sur pourquoi Nous souhaitons supprimer certaines parties d'un signal dans la conception d'un circuit imprimé. Cette action peut sembler destructive. Cependant, cette fonction est essentielle pour deux raisons principales dans la conception de circuits imprimés.
La protection des circuits est la fonction principale et la plus importante. Les circuits limiteurs sont utilisés pour protéger les composants électroniques sensibles sur un circuit imprimé. De nombreux composants, tels que les transistors et les microprocesseurs, ont une tension nominale maximale. Ils seront détruits ou irrémédiablement endommagés si la tension qui leur est appliquée dépasse cette valeur nominale. Dans la réalité, les signaux ne sont pas toujours parfaits dans le processus de fabrication des circuits imprimés. Un événement soudain de haute tension peut se produire dans un circuit. On parle alors de “ transitoire ” ou de “ pic de tension ”. La mise en marche ou l'arrêt d'un gros moteur ou un coup de foudre à proximité peuvent être à l'origine de ce pic.
Le circuit imprimé peut subir cette pointe de tension. Si elle atteint un composant sensible, elle le détruira. Cette pièce délicate est positionnée devant un circuit limiteur sur le schéma du circuit imprimé. Elle sert de protection. La tension maximale de sécurité, ou “ niveau de limitation ”, correspond au réglage du limiteur. Le circuit limiteur ne fait rien et le signal passe sans être affecté lorsque le signal est normal (inférieur à la tension de sécurité).
Cependant, le circuit limiteur se déclenche lorsqu'une pointe de tension importante se produit (au-dessus de la tension de sécurité). La pointe est alors “ limitée ” par celui-ci. Tout ce qui dépasse le niveau de sécurité est coupé en limitant la tension. Le signal est alors “ aplati ” lorsqu'il atteint le composant sensible. Le composant est protégé car il ne dépasse jamais la tension de sécurité. Afin de préserver le matériel, le circuit écrêteur a sacrifié une partie du signal. Nous appelons cela la “ protection contre les surtensions ” dans les principes de base des circuits imprimés.
La mise en forme des ondes est le deuxième objectif de la conception de circuits imprimés. Elle vise à modifier délibérément la forme d'un signal plutôt qu'à assurer sa protection. C'est ainsi que nous créons de nouveaux signaux sur une carte de circuit imprimé. Une “ onde sinusoïdale ”, qui est une onde continue, arrondie et lisse, est le type de signal électrique le plus répandu. Cependant, les ondes sinusoïdales ne sont pas utilisées dans l'électronique numérique, comme les ordinateurs et leurs circuits imprimés. Nous utilisons des “ ondes carrées ”. Le sommet et la base d'une onde carrée sont tous deux plats. Un niveau “ haut ” (par exemple 5 volts) et un niveau “ bas ” (par exemple 0 volt) sont commutés brusquement. Dans la logique numérique sur un circuit imprimé, cela correspond à “ 1 ” et “ 0 ”.”
Un circuit clipper peut être utilisé pour produire une onde carrée dans la conception optimale d'un circuit imprimé. Nous commençons par une grande onde sinusoïdale. Le sommet devient plat après avoir coupé le pic positif avec un clipper. Le creux devient plat après avoir supprimé le creux négatif avec un deuxième clipper. À ce stade, l'onde sinusoïdale est “ aplatie ”. Elle ressemble alors à une onde carrée. Cette technique est également utilisée dans d'autres applications pour l'assemblage de circuits imprimés, notamment les pédales de “ distorsion ” pour guitares électriques. Les pics du signal de la guitare sont coupés par un circuit clipper dans ces pédales. Le son “ flou ” ou “ lourd ” de la musique rock est produit par le “ carré ” de l'onde, qui ajoute de nouvelles fréquences.
Formule mathématique pour la forme d'onde elle-même (sinusoïdale / carrée)
Expression mathématique pour générer une onde carrée par écrêtage
Formule de l'onde sinusoïdale
La sinusoïde standard est la suivante :
x(t) = A · sin(2πft + φ)Onde carrée (série de Fourier)
Une onde carrée est représentée par des harmoniques impaires :
carré(t) = (4/π) Σ (1/n) · sin(2πnft), n = 1,3,5…Circuit d'écrêtage (écrêtage symétrique)
Le clipping limite la forme d'onde à ±Vc :
y(t) = { +Vc, si x(t) est supérieur ou égal à +Vc, -Vc, si x(t) est inférieur à -Vc
Fonctionnement des cisailles : les composants clés
Une diode et une résistance sont les deux seuls composants utilisés dans les circuits clipper les plus basiques et les plus couramment utilisés sur un prototype de circuit imprimé. La résistance est un composant passif. Son rôle est de limiter le flux de courant. Elle génère la tension de sortie appropriée en association avec la diode.
L'élément crucial dans la conception des circuits imprimés est la diode. C'est la section qui effectue réellement le " clipping ". Les diodes sont un type de dispositif à semi-conducteur. Leur capacité à fonctionner comme une valve électrique unidirectionnelle est leur caractéristique la plus importante. La direction " facile " est la seule direction dans laquelle le courant peut passer à travers la diode. Cependant, la diode empêche le courant de circuler dans la direction " difficile ".
Nous utilisons ce comportement unidirectionnel dans la conception des circuits imprimés. Un " courant alternatif " (CA) est un signal d'entrée, tel qu'une onde sinusoïdale. Cela signifie que la tension passe de positive à négative, puis redevient positive. Après avoir circulé dans un sens, le courant s'inverse et circule dans le sens opposé. Une direction de flux sera " autorisée " par la diode du circuit, tandis que l'autre direction sera " bloquée ". La diode élimine une partie de l'onde en la bloquant. C'est ce qu'on appelle l'écrêtage.
Pour appréhender le fonctionnement des clippers dans la conception des circuits imprimés, il est nécessaire de comprendre les concepts de diodes " idéales " et " réelles ". Une diode idéale est un commutateur parfait. Lorsque le signal circule de manière " fluide ", la diode s'active et agit comme un fil parfait (un " commutateur fermé "). Elle ne présente aucune tension. Lorsque le signal circule de manière " difficile ", la diode se coupe et agit comme un fil cassé (un " interrupteur ouvert "), arrêtant tout courant.
Une diode réelle, telle qu'une 1N4001, n'est pas parfaite. Elle nécessite une petite " impulsion " pour s'activer. Cette impulsion est une petite tension appelée " chute de tension directe ". Pour une diode au silicium (le type le plus courant), cette tension est d'environ 0,7 volt. Une diode au silicium réelle ne s'activera que lorsque la tension " facile " sera supérieure à 0,7 volt. Lorsqu'elle est activée, elle présente une chute de 0,7 volt. Cela signifie qu'elle écrête à 0,7 volt, et non à 0 volt. Il s'agit d'un détail mineur, mais important. Dans la suite de cet article, nous aborderons principalement les écrêteurs idéaux afin de simplifier la logique, mais nous noterons comment les diodes réelles modifient le résultat.
Classification des circuits Clipper
Nous pouvons concevoir de nombreux clippers différents dans la disposition des circuits imprimés. Nous les classons selon deux critères principaux. Le premier est configuration des composants, qui est comment la diode est placée dans le circuit (soit dans série avec la sortie, ou dans shunt / parallèle à la sortie). Le second est action de découpe, qui est quelle partie du signal est supprimé (un positif navire de pêche, un négatif clipper, ou un parti pris clipper).
Nous pouvons combiner ces noms pour obtenir quatre types de clippers de base " non biaisés " dans la conception de circuits imprimés.
Série Clippers
Dans un limiteur en série, la diode est placée sur le chemin principal du circuit imprimé. Le signal doit passer par la diode pour atteindre la sortie.
A Clipper à série positive est conçu pour supprimer la moitié positive du signal. Il est construit en plaçant la diode en série, mais avec son symbole " flèche " pointant vers le haut. de nouveau vers la source du signal sur le circuit imprimé. Pendant la moitié positive de l'onde, le signal tente de pousser le courant. contre la flèche de la diode. Il s'agit de la direction " difficile " (polarisation inverse), de sorte que la diode idéale agit comme un interrupteur ouvert. Aucun courant ne peut circuler et la tension de sortie est nulle. La moitié positive est " coupée ". Ensuite, pendant la moitié négative de l'onde, le signal tire le courant. avec la flèche de la diode. Il s'agit de la direction " facile " (polarisation directe). La diode idéale agit comme un interrupteur fermé, et le signal passe directement à la sortie. Il en résulte que toute la moitié positive est supprimée, et seule la moitié négative subsiste.
A clipper de série négative fait le contraire dans la conception de circuits imprimés. Son objectif est de supprimer la moitié négative du signal. Ceci est réalisé en plaçant la diode en série, mais avec sa " flèche " pointant loin de la source et vers la sortie. Pendant la moitié positive, le signal fait passer le courant. avec la flèche (polarisation directe). La diode idéale agit comme un interrupteur fermé, et le signal passe à la sortie. Ensuite, pendant la moitié négative, le signal tente de tirer le courant. contre la flèche (polarisation inverse). La diode agit comme un interrupteur ouvert, aucun courant ne circule et la tension de sortie est nulle. Il en résulte que la moitié négative est supprimée et seule la moitié positive subsiste. Ce circuit spécifique est également appelé " redresseur à demi-onde " dans le processus de fabrication des circuits imprimés.
Les concepteurs de circuits imprimés utilisent souvent des fichiers Gerber pour communiquer la disposition des circuits imprimés aux fabricants. Ces fichiers Gerber contiennent des informations sur les pistes de cuivre, le masque de soudure et d'autres éléments essentiels de la conception des circuits imprimés. Lors de la création d'un circuit clipper, il est essentiel de s'assurer que le format du fichier Gerber représente fidèlement l'emplacement des composants, en particulier les diodes et les résistances qui composent le circuit clipper.
Dans le processus de fabrication des circuits imprimés, le placement de ces composants est essentiel. Les pistes de cuivre qui relient la diode et la résistance doivent être disposées avec précision pour garantir le bon fonctionnement du limiteur. La couche de masque de soudure dans les fichiers Gerber contribue à protéger ces connexions électriques sensibles contre les facteurs environnementaux et les courts-circuits potentiels pendant le processus d'assemblage.
Pour les prototypes de circuits imprimés, les concepteurs peuvent utiliser divers outils logiciels de conception de circuits imprimés afin de créer et de simuler ces circuits clipper avant de passer à la production. Cela permet de tester et d'affiner la conception, garantissant ainsi que le circuit clipper remplit efficacement sa fonction au sein de l'appareil électronique plus large.
Alors que nous continuons à explorer les subtilités des circuits clipper dans la conception des circuits imprimés, il est important de garder à l'esprit que ces composants fondamentaux jouent un rôle crucial dans de nombreux appareils électroniques que nous utilisons quotidiennement. De la protection des composants sensibles à la mise en forme des ondes pour les signaux numériques, les circuits clipper sont un élément essentiel de la conception moderne des circuits imprimés et de l'ingénierie électronique.
Lors de la conception de circuits imprimés à haute vitesse ou Circuits imprimés RF, les circuits clipper peuvent jouer un rôle crucial dans l'intégrité et la protection des signaux. La largeur des pistes et les matériaux utilisés dans ces conceptions sont des facteurs essentiels qui influencent les performances des circuits clipper. Les fabricants de circuits imprimés utilisent souvent des techniques avancées telles que les microvias et les vias enterrés pour optimiser la disposition de ces cartes haute performance.
Au cours du processus d'assemblage des circuits imprimés, le placement des composants à trous traversants et des dispositifs à montage en surface est essentiel au bon fonctionnement des circuits clipper. Des machines de placement sont utilisées pour positionner avec précision ces composants électroniques sur le circuit imprimé. De la pâte à souder est ensuite appliquée, et la carte subit un processus de refusion afin de créer des connexions électriques fiables.
Le contrôle qualité est une étape essentielle dans la production de circuits imprimés. Une inspection visuelle et des tests électriques sont effectués afin de s'assurer que les circuits clipper et les autres composants fonctionnent correctement. Des vérifications des règles de conception (DRC) sont également réalisées pendant la phase de conception des circuits imprimés afin de prévenir d'éventuels problèmes de fabrication.
Conclusion
Les circuits clipper constituent un aspect fondamental de la conception des circuits imprimés, jouant un rôle essentiel dans la mise en forme des signaux et la protection des circuits. À mesure que la technologie des circuits imprimés continue de progresser, il devient de plus en plus important de comprendre et de mettre en œuvre efficacement ces circuits. Que vous travailliez sur un simple prototype de circuit imprimé ou sur un circuit imprimé multicouche complexe, la maîtrise de l'utilisation des circuits clipper est essentielle pour réussir la conception électronique.
