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Un “clipper” è un circuito fondamentale nell'elettronica, spesso implementato su PCB (circuiti stampati). Per chi si sta chiedendo “Cos'è un PCB?“, è il fondamento dell'elettronica moderna e funge da piattaforma per il montaggio e il collegamento dei componenti elettronici. Il nome del clipper descrive la sua funzione principale: “taglia” o “limita” un segnale elettrico. Immaginate una forma d'onda disegnata su carta. Questa onda ha picchi (parti alte) e avvallamenti (parti basse). Ora, immaginate di usare delle forbici per tagliare orizzontalmente la parte superiore di questa onda. Tutte le parti dell'onda che si trovavano sopra il taglio vengono ora rimosse. La parte superiore dell'onda è ora piatta. Questa è l'esatta funzione di un circuito clipper su un PCB. Rimuove una parte del segnale che si trova al di sopra di una certa tensione.
Un circuito clipper, quando progettato e integrato nel layout di una scheda a circuiti stampati utilizzando un software di progettazione PCB come Altium Designer, può anche rimuovere la parte inferiore del segnale. È possibile tagliare la parte inferiore dell'onda cartacea, rendendola piatta. Un clipper esegue questa operazione per i segnali che scendono al di sotto di una determinata tensione. Quindi, un clipper è un circuito elettronico comunemente presente in progetti personalizzati di circuiti stampati. Rimuove o limita parti di un segnale in ingresso. Lo fa senza distorcere la parte restante del segnale. Possiamo usare i clipper per rimuovere la parte positiva di un segnale e possiamo usarli per rimuovere la parte negativa di un segnale. Possiamo anche usare i clipper per rimuovere sia la parte positiva che quella negativa.
Esploreremo come sono costruiti, quali componenti utilizzano e perché sono essenziali nell'elettronica.
Lo scopo dei circuiti Clipper
Dobbiamo prima chiederci perché vorremmo rimuovere parti di un segnale in un progetto PCB. Questa azione sembra distruttiva. Tuttavia, questa funzione è fondamentale per due scopi principali nella progettazione di circuiti stampati.
La protezione dei circuiti è la funzione primaria e più importante. I circuiti clipper vengono utilizzati per salvaguardare i delicati componenti elettronici su un PCB. Molti componenti, come transistor e microprocessori, hanno una tensione nominale massima. Se la tensione applicata supera tale valore, essi vengono distrutti o danneggiati in modo irreparabile. I segnali non sono sempre perfetti nel mondo reale del processo di produzione dei PCB. In un circuito può verificarsi un evento improvviso di alta tensione. Questo fenomeno è denominato “transitorio” o “picco di tensione”. L'accensione o lo spegnimento di un motore di grandi dimensioni o un fulmine nelle vicinanze potrebbero essere la causa di questo picco.
Il PCB può subire questo picco di tensione. Se raggiunge un componente sensibile, lo distruggerà. Questa parte delicata è posizionata davanti a un circuito clipper sul layout della scheda. Funge da protezione. La tensione massima di sicurezza, o “livello di clipping”, è l'impostazione a cui è impostato il clipper. Il circuito clipper non fa nulla e il segnale fluisce senza essere influenzato quando il segnale è normale (al di sotto della tensione di sicurezza).
Tuttavia, il circuito clipper entra in funzione quando si verifica un picco di tensione significativo (superiore alla tensione di sicurezza). Il picco viene “tagliato” dal circuito. Tutto ciò che supera il livello di sicurezza viene tagliato limitando la tensione. Il segnale è ora “appiattito” quando raggiunge il componente sensibile. Il componente è protetto perché non supera mai la tensione di sicurezza. Al fine di preservare l'hardware, il circuito clipper ha rinunciato a una parte del segnale. In PCB basics ci riferiamo a questo come “protezione da sovratensione”.
La modellazione della forma d'onda è il secondo obiettivo nella progettazione del layout dei PCB. Questo viene fatto per alterare intenzionalmente la forma di un segnale piuttosto che per proteggerlo. È così che creiamo nuovi segnali su un circuito stampato. Un'onda sinusoidale, che è un'onda continua, arrotondata e regolare, è il tipo di segnale elettrico più diffuso. Tuttavia, le onde sinusoidali non vengono utilizzate nell'elettronica digitale, come i computer e i loro PCB. Noi utilizziamo “onde quadre”. La parte superiore e inferiore di un'onda quadra sono entrambe piatte. Un livello “alto” (ad esempio 5 volt) e un livello “basso” (ad esempio 0 volt) vengono commutati bruscamente. Nella logica digitale su un PCB, questo sta per “1” e “0”.“
Un circuito clipper può essere utilizzato per produrre un'onda quadra nel miglior progetto PCB. Si parte da una grande onda sinusoidale. La parte superiore diventa piatta dopo aver tagliato il picco positivo con un clipper. La parte inferiore diventa piatta dopo aver rimosso il minimo negativo con un secondo clipper. A questo punto, l'onda sinusoidale è “schiacciata”. Il suo aspetto ricorda quello di un'onda quadra. Altre applicazioni di questa tecnica nell'assemblaggio dei PCB includono i pedali “distorsori” per chitarre elettriche. In questi pedali, i picchi del segnale della chitarra vengono tagliati da un circuito clipper. Il suono “sfocato” o “pesante” della musica rock è prodotto dalla “quadratura” dell'onda, che aggiunge nuove frequenze.
Formula matematica per la forma d'onda stessa (sinusoidale / quadrata)
Espressione matematica per generare un'onda quadra mediante clipping
Formula dell'onda sinusoidale
L'onda sinusoidale standard è:
x(t) = A · sin(2πft + φ)Onda quadra (serie di Fourier)
Un'onda quadra è rappresentata da armoniche dispari:
quadrato(t) = (4/π) Σ (1/n) · sin(2πnft), n = 1,3,5…Circuito clipper (clipping simmetrico)
Il clipping limita la forma d'onda a ±Vc:
y(t) = { +Vc, x(t) > +Vc x(t), -Vc ≤ x(t) ≤ +Vc -Vc, x(t) < -Vc }
Come funzionano i clipper: i componenti chiave
Un diodo e un resistore sono gli unici due componenti utilizzati nei circuiti clipper più semplici e diffusi su un prototipo di PCB. Uno dei componenti passivi è il resistore, il cui scopo è limitare il flusso di corrente. Insieme al diodo, genera la tensione di uscita appropriata.
L'elemento cruciale nella progettazione dei PCB è il diodo. È la sezione che effettivamente esegue il "clipping". Un tipo di dispositivo a semiconduttore è il diodo. La sua capacità di funzionare come una valvola elettrica unidirezionale è la sua caratteristica più significativa. La direzione "facile" è l'unica direzione in cui la corrente può passare attraverso il diodo. Tuttavia, il diodo impedisce alla corrente di fluire nella direzione "difficile".
Utilizziamo questo comportamento unidirezionale nella disposizione dei circuiti stampati. Una "corrente alternata" (AC) è un segnale di ingresso, come un'onda sinusoidale. Ciò indica che la tensione cambia da positiva a negativa e poi torna positiva. Dopo aver fluito in una direzione, la corrente inverte la direzione e fluisce nella direzione opposta. Una direzione di flusso sarà "consentita" dal diodo del circuito, mentre l'altra direzione sarà "bloccata". Il diodo elimina una parte dell'onda bloccandola. L'azione di clipping è questa.
Per comprendere il funzionamento dei clipper nella progettazione dei PCB, occorre innanzitutto comprendere i diodi "ideali" e "reali". Un diodo ideale è un interruttore perfetto. Quando il segnale fluisce in modo "facile", il diodo si accende e agisce come un cavo perfetto (un "interruttore chiuso"). Non presenta alcuna tensione. Quando il segnale fluisce in modo "difficile", il diodo si interrompe e agisce come un filo rotto (un "interruttore aperto"), bloccando qualsiasi corrente.
Un vero diodo, come un 1N4001, non è perfetto. Ha bisogno di una piccola "spinta" per accendersi. Questa spinta è una piccola tensione chiamata "caduta di tensione diretta". Per un diodo al silicio (il tipo più comune), questa tensione è di circa 0,7 volt. Un vero diodo al silicio si accenderà solo quando la tensione "facile" è superiore a 0,7 volt. Quando è acceso, presenta una caduta di 0,7 volt. Ciò significa che si limita a 0,7 volt, non a 0 volt. Si tratta di un dettaglio piccolo ma importante. Nel resto di questo articolo, discuteremo principalmente dei clipper ideali per mantenere la logica semplice, ma noteremo come i diodi reali cambiano il risultato.
Classificazione dei circuiti Clipper
Possiamo costruire molti clipper diversi nel layout PCB. Li classifichiamo utilizzando due criteri principali. Il primo è configurazione dei componenti, che è come il diodo è inserito nel circuito (sia in serie con l'output, o in derivazione / parallelo con l'output). Il secondo è azione di ritaglio, che è quale parte del segnale viene rimosso (a positivo clipper, un negativo clipper, o un di parte clipper).
Possiamo combinare questi nomi per ottenere quattro tipi di clipper di base "imparziali" nella progettazione di PCB.
Serie Clippers
In un clipper in serie, il diodo è posizionato sul percorso principale del layout PCB. Il segnale deve passare attraverso il diodo per arrivare all'uscita.
A taglierina per serie positive è progettato per rimuovere la metà positiva del segnale. Si ottiene collegando il diodo in serie, ma con il simbolo della "freccia" rivolto verso indietro verso la sorgente del segnale sul PCB. Durante la metà positiva dell'onda, il segnale cerca di spingere la corrente contro la freccia del diodo. Questa è la direzione "difficile" (polarizzazione inversa), quindi il diodo ideale si comporta come un interruttore aperto. Non può fluire alcuna corrente e la tensione di uscita è pari a zero. La metà positiva viene "tagliata". Quindi, durante la metà negativa dell'onda, il segnale assorbe corrente. con la freccia del diodo. Questa è la direzione "facile" (polarizzazione diretta). Il diodo ideale agisce come un interruttore chiuso e il segnale passa direttamente all'uscita. Il risultato è che l'intera metà positiva viene rimossa e rimane solo la metà negativa.
A taglierina per serie negative fa l'opposto nella progettazione dei PCB. Il suo obiettivo è quello di rimuovere la metà negativa del segnale. Questo viene realizzato collegando il diodo in serie, ma con la sua "freccia" rivolta verso lontano dalla fonte e verso l'uscita. Durante la metà positiva, il segnale spinge la corrente con la freccia (polarizzazione diretta). Il diodo ideale agisce come un interruttore chiuso e il segnale passa all'uscita. Quindi, durante la metà negativa, il segnale cerca di attirare la corrente contro la freccia (polarizzazione inversa). Il diodo agisce come un interruttore aperto, non scorre corrente e la tensione di uscita è pari a zero. Il risultato è che la metà negativa viene rimossa e rimane solo la metà positiva. Questo specifico circuito è chiamato anche "raddrizzatore a semionda" nel processo di produzione dei PCB.
I progettisti di PCB utilizzano spesso file Gerber per comunicare il layout del circuito stampato ai produttori di PCB. Questi file Gerber contengono informazioni sulle tracce di rame, sulla maschera di saldatura e su altri elementi essenziali della progettazione del PCB. Quando si crea un circuito clipper, è fondamentale assicurarsi che il formato del file Gerber rappresenti accuratamente il posizionamento dei componenti, in particolare i diodi e i resistori che compongono il circuito clipper.
Nel processo di fabbricazione dei PCB, il posizionamento di questi componenti è fondamentale. Le tracce di rame che collegano il diodo e il resistore devono essere disposte con precisione per garantire che il clipper funzioni come previsto. Lo strato di maschera di saldatura nei file Gerber aiuta a proteggere questi delicati collegamenti elettrici dai fattori ambientali e dai potenziali cortocircuiti durante il processo di assemblaggio.
Per i prototipi di PCB, i progettisti possono utilizzare vari strumenti software per circuiti stampati per creare e simulare questi circuiti clipper prima di passare alla produzione. Ciò consente di testare e perfezionare il progetto, garantendo che il circuito clipper svolga efficacemente la funzione prevista all'interno del dispositivo elettronico più grande.
Mentre continuiamo ad approfondire le complessità dei circuiti clipper nella progettazione dei PCB, è importante ricordare che questi componenti fondamentali svolgono un ruolo cruciale in molti dispositivi elettronici che utilizziamo quotidianamente. Dalla protezione dei componenti sensibili alla modellazione delle forme d'onda per i segnali digitali, i circuiti clipper sono una parte essenziale della moderna progettazione dei PCB e dell'ingegneria elettronica.
Quando si progettano PCB ad alta velocità o Circuiti stampati RF, i circuiti clipper possono svolgere un ruolo cruciale nell'integrità e nella protezione del segnale. La larghezza delle tracce e i materiali PCB utilizzati in questi progetti sono fattori critici che influenzano le prestazioni dei circuiti clipper. I produttori di PCB utilizzano spesso tecniche avanzate come microvia e via sepolte per ottimizzare il layout di queste schede ad alte prestazioni.
Durante il processo di assemblaggio dei PCB, il posizionamento dei componenti a foro passante e dei dispositivi a montaggio superficiale è fondamentale per il corretto funzionamento dei circuiti clipper. Per posizionare con precisione questi componenti elettronici sul PCB vengono utilizzate macchine pick and place. Successivamente viene applicata la pasta saldante e la scheda viene sottoposta a un processo di rifusione per creare connessioni elettriche affidabili.
Il controllo qualità è una parte essenziale della produzione dei PCB. Vengono eseguiti controlli visivi e test elettrici per garantire che i circuiti clipper e gli altri componenti funzionino correttamente. Durante la fase di progettazione dei PCB vengono inoltre effettuati controlli delle regole di progettazione (DRC) per prevenire potenziali problemi di produzione.
Conclusione
I circuiti clipper sono un aspetto fondamentale della progettazione dei PCB, poiché svolgono un ruolo essenziale nella modellazione del segnale e nella protezione dei circuiti. Con il continuo progresso della tecnologia dei PCB, l'importanza di comprendere e implementare questi circuiti in modo efficace è destinata ad aumentare. Che si tratti di un semplice prototipo di PCB o di un complesso PCB multistrato, padroneggiare l'uso dei circuiti clipper è essenziale per una progettazione elettronica di successo.
