Для симметричных приложений хорошо подходит схема на Рисунке 4. Она состоит из уже показанного положительного ограничителя и дополнительного отрицательного ограничителя, подключенного параллельно первому. Для управления обоими ограничителями используется одно положительное опорное напряжение. Отрицательное опорное напряжение вырабатывается инвертором U1 с единичным усилением.
 | |
| Рисунок 4. | Схема симметричного шунтирующего ограничителя напряжения. |
Результаты статических измерений представлены Таблицей 2 и соответствующим графиком на Рисунке 5. На Рисунке 5 видна симметрия ограничения напряжения.
| Таблица 2. | Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |
| Рисунок 5. | Зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 4. Напряжение ограничения очень симметрично относительно 0 В. |
Из-за того, что операционный усилитель находится в состоянии насыщения, когда выходное напряжение схемы ниже напряжения ограничения, ее отклик получается медленным. Прямоугольные импульсы для осциллограммы на Рисунке 6 были получены от генератора, обеспечивающего на холостом ходу размах выходного сигнала 4 В. Генератор имеет выходное сопротивление 50 Ом. Канал CH1 осциллографа отображает выходное напряжение схемы, а CH2 – выходной сигнал операционного усилителя. Для того чтобы выходное напряжение ОУ изменилось на 20 В (примерно от +15 В до –4 В), требуется порядка 20 мкс.
 | |
| Рисунок 6. | Осциллограммы сигналов схемы на Рисунке 4 показывают, что основным ограничением времени отклика является скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя. Подробности см. в тексте. |
Улучшенная схема, в которой операционный усилитель не насыщается, представлена на Рисунке 7. Основные ОУ U2A и U2B теперь включены инвертирующими усилителями с единичным усилением. Диоды D3 и D4 при насыщении ограничивают выходное напряжение операционного усилителя до 0.7 В [7]. Теперь выходное напряжение ОУ U2A может изменяться только от +0.7 В до –4 В. Поскольку входной резистор R3 будет нагружать выход, его сопротивление выбрано вдвое бóльшим минимально допустимого значения, которое, согласно техническому заданию, равно 200 кОм. У меня под рукой были резисторы 499 кОм 1%, поэтому я использовал их. Осциллограммы снимались только для положительной части ограничителя на Рисунке 7 при сопротивлениях резисторов R3 и R7, равных 200 кОм.
 | |
| Рисунок 7. | Схема симметричного шунтирующего ограничителя напряжения с оконечными операционными усилителями, работающими в инвертирующем режиме. |
На осциллограмме, показанной на Рисунке 8, канал CH1 отображает выходное напряжение схемы, а CH2 – выходной сигнал усилителя U2A. Время отклика составляет 5 мкс, что примерно в четыре раза быстрее, чем в исходной схеме.
 | |
| Рисунок 8. | Ограничение диапазона изменения выходного напряжения операционного усилителя в схеме на Рисунке 7 уменьшает время отклика. Подробности см. в тексте. |
Отраженные в Таблице 3 и на Рисунке 9 результаты статических измерений очень похожи на результаты для первой схемы, за исключением того, что при напряжениях, меньших VREF, ток имеет порядок микроампер. Чтобы получить асимметричное ограничение, нужно удалить каскад инвертора и использовать два источника опорного напряжения.
| Таблица 3. | Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 7 | ||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
 | |
| Рисунок 9. | График только для положительной половины схемы на Рисунке 7. Увеличение скорости не влияет на характеристики по постоянному току. |
Если нужно ограничить напряжение значением ниже 700 мВ, напряжение, теряемое на диоде, сделает выполнение этого требования практически невозможным с любой схемой. Но если подключить сток p-канального MOSFET к источнику отрицательного напряжения, то возможно ограничение напряжения на любом уровне, даже 0 В. Тот же подход можно использовать для n-канального MOSFET. Схема на Рисунке 10 делает именно это с характеристиками, сравнимыми с характеристиками схем, рассмотренных выше. Источник напряжения смещения – батарея B1 на схеме – должен обеспечивать требуемый ток.
 | |
| Рисунок 10. | Схема ограничителя, способного работать с напряжениями ниже 1 В. |
В Таблице 4 приведены результаты измерений для опорного напряжения 150 мВ и напряжения смещения 1.8 В. Кривая зависимости тока от напряжения при большом токе до 1 А представлена на Рисунке 11. Здесь снова схема демонстрирует крутой излом, малую утечку и постоянство напряжения ограничения. Тот же метод можно использовать со схемой на Рисунке 7. Для напряжений ограничения ниже примерно 1 В выбор максимальных значений напряжения смещения и тока смещения операционных усилителей должен основываться на допустимой величине суммарной погрешности.
| Таблица 4. | Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 10 | ||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||
Эту схему можно было бы использовать в качестве учебного пособия, установив напряжение ограничения равным нулю и вставив ее в лабораторную схему для студентов. Представьте себе смесь веселья и недоумения, когда при одной полярности подключения омметра он покажет обрыв, а при другой – короткое замыкание.
 | |
| Рисунок 11. | Зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 10. |
Для достижения наилучших результатов в сильноточных приложениях ограничитель напряжения должен устанавливаться между источником напряжения и защищаемым устройством.
Я тестировал различные диоды: стабилитроны, кремниевые диоды с p-n переходом, диоды Шоттки и светодиоды, и ни один из них не имел такого острого излома характеристики, низкой утечки и не мог пропускать такой большой ток или быть таким гибким в использовании, как приведенные выше схемы.
Путем простых доработок напряжение ограничения можно увеличить до более высоких значений, но это уже тема другой статьи.