【基礎から学ぶダイオード】リミッタ回路とは？～クリッピング作用で上限と下限を指定する～

ダイオードは電流を決められた方向にのみ流すことができる部品です。
なのですが、回路図を眺めていると電流の流れに対して逆方向に接続していることもあります。
ダイオードの基本部分しか知らない場合、この辺りで結構な疑問符が浮かぶと思うんですよね。
ということで、ダイオードの動作原理や種類などを1からわかりやすくまとめてみたのが本記事となります。

今回は、「リミッタ回路」についての説明です。

１．リミッタ回路とは？
２．リミッタ回路の動作
３．リミッタ回路自体の定義は曖昧
４．リミッタ回路の用途

１．リミッタ回路とは？

電子部品には最大印加電圧というものが規定してあります。
その名の通り、『○○V以上を印加しないでくださいね』という値です。

リミッタ回路とは、印加電圧が規定の範囲内に収まるようにすることを目的とした保護回路のことです。
基準電圧の上限と下限のリミットを決める回路ということです。

ダイオードにはクリッピングという任意の波形からある値より上もしくはある値より下の成分だけを取り出すことができる作用があります。
順方向にしか電流が流れないことを利用した作用のことです。
この作用を利用してリミッタ回路が組まれます。

なので、リミッタ回路を理解するには、前提としてダイオードのクリッピング作用について知っている必要があります。
あまり自信が無い方は、先に以下の記事を参照してください。

【基礎から学ぶダイオード】ダイオードのクリッピング作用～任意の波形からある値より上か下の成分だけ取り出す方法～

ダイオードは電流を決められた方向にのみ流すことができる部品です。なのですが、回路図を眺めていると電流の流れに対して逆方向に接続していることもあります。ダイオードの基本部分しか知らない場合、この辺りで結構な疑問符が浮かぶと思うんですよね。ということで、ダイオードの動作原理や種類などを1からわかりやすくまとめてみたのが本記事となります。今回はダイオードのクリッピング作用についてです。

２．リミッタ回路の動作

では、実際のリミッタ回路を見ていきましょう。

図1のような回路がリミッタ回路です。

最大振幅5[V]の交流電源V_ACに、ダイオードと直流電源を組み合わせた回路を並列に繋いでありますね。
この「ダイオードと直流電源を組み合わせた回路」がクリッピング作用に関わる回路なので、ダイオードと直流電源の向きがリミッタ回路の肝となります。

まずはD₁と1[V]の直流電源の回路から考えていきます。
前提条件として、交流電源は矢印の方向を“正”、ダイオードは理想ダイオード(順方向時の電圧降下が無いダイオード)とします。

D₁はアノードが端子A、カソードが端子Bの方向を向いています。
そして、カソード側に＋1[V]の直流電源が配置されています。
ダイオードがONになる条件は、アノードからカソードの方向にしか電流が流れるように、アノード＞カソードの電位になることです。
つまり、アノードである端子Aの部分に1[V]以上の電圧が掛かっている時にD₁がONになります。

では、D₁がONになるとどうなるかと言うと、図2のような状態になります。

結果、この部分に1[V]以上の電圧を加えても、1[V]より大きな出力が得られないことがわかります。
1[V]の直流電源が並列に繋がっていますからね。
逆に1[V]以下の電圧が掛かっている場合、D₁に電流が流れない…開放された状態になり、交流電源はダイレクトに出力電圧V_Oになります。
その為、ここだけで判断すると出力波形は以下のようになります。

上だけ抉れましたね。

次に、D₂と2[V]の直流電源の回路を見てみましょう。

考え方は先程と何も変わりません。
今度は、D₂のアノードが端子B、カソードが端子A側になっていますね。
そして、アノード側に－2[V]の直流電源が配置されています。
つまり、アノードである端子Bに+2[V]以上の電圧が掛かっている時にD₂がONになります。
言い方を変えると、カソードである端子Aの部分に－2[V]以下の電圧を与えれば良いわけです。
結果、この部分に－2[V]以下の電圧を加えても、－2[V]より小さな出力が得られないことがわかります。