ダイオードクリッピング回路：種類と用途を徹底解説

ダイオード電圧クリッパー

出典：Wikimedia Commons

電子工作で高電圧スパイクから回路を守りたいとお考えですか？それならダイオードクリッピング回路の出番です。波形を制御・整形できるため、様々な場面で活躍します。

しかし、どの回路にも動作原理があり、それを理解してこそ使いこなせます。また、クリッピング回路にはいくつかの種類があります。本記事ではそれらすべてを網羅的に解説します。ぜひ最後までお読みください。

ダイオードクリッピング回路とは？

ダイオード波形クリッパー

出典：Wikimedia Commons

ダイオードクリッパーは波形整形回路の一種です。入力波形を取り込み、ダイオードの特性に応じて上半分、下半分、または両方をカット（クリップ）します。別名「ダイオードリミッタ」とも呼ばれます。

入力信号をクリップすると、入力波形のピークが平坦化された出力波形が得られます。この特性を利用し、ショットキーダイオードや信号用ダイオードで入力波形を再整形したり、ツェナーダイオードで過電圧保護を行ったりできます。これにより、出力電圧が特定レベルを超えないようガードし、高電圧スパイクから回路を保護します。

クリッピング回路の基本構成部品は抵抗と理想ダイオードです。さらにDC電源（バイアス電圧）を加えることで、クリッピングレベルを任意の値に設定できます。

ダイオードクリッピング回路の動作原理

ダイオードクリッピング回路の動作原理はダイオードそのものと同様です。順方向バイアス時は電流を通し電圧をクランプし、逆方向バイアス時は電流を遮断して端子間電圧を変化させません。

クリッパーの分類

大きく分けて2つの構成があります：並列（シャント）型と直列（シリーズ）型です。並列型はダイオードが負荷と並列に接続され、直列型はダイオードと負荷が直列に接続されます。

ポジティブダイオードクリッパー

ポジティブダイオードクリッパー

出典：Tutorialspoint

ポジティブクリッパーでは、入力電圧の正の半サイクルが除去されます。

直列接続の場合： 入力波形の正半サイクルでダイオードが逆バイアスとなり、正半サイクルがカットされます。出力電圧は0Vを維持します。負半サイクルではダイオードが順バイアスとなり、負半サイクルが出力に現れます。

並列接続の場合： 逆の動作になります。正半サイクルでダイオードが順バイアスとなりクローズドスイッチのように振る舞い、負荷またはダイオード両端の電圧降下はゼロになります。したがって正半サイクル中の出力電圧はゼロです。負半サイクルではダイオードが逆バイアスとなりオープンスイッチとして働き、全入力電圧が負荷抵抗（またはダイオード、負荷抵抗がダイオード抵抗より大きい場合）に現れます。これは分圧回路として機能し、出力電圧は [R_L/ (R + R_L)] V_MAX = -V_MAX （R ＜ R_Lの場合）となります。

ネガティブダイオードクリッパー

ネガティブダイオードクリッパー

出典：Wikimedia Commons

ネガティブクリッパーはポジティブクリッパーの逆動作です。ダイオードが順バイアスで正弦波の負半サイクルが来ると、それを-0.7Vでクリップします。逆バイアス時は正半サイクルをそのまま通します。つまり、入力電圧の負半サイクルを制限する回路がネガティブクリッパーです。

両半サイクルをクリップできますか？可能です。2つのダイオードを逆並列に接続すれば、一方（D1）が正半サイクルを、もう一方（D2）が負半サイクルをクリップします。理想ダイオードなら出力波形はゼロになりますが、実際のダイオードでは順方向電圧降下（約0.7V）があるため、クリッピングポイントは+0.7Vと-0.7Vになります。

この±0.7V以上のクリッピングレベルを得るには、ダイオードにバイアス電圧を加えるか、複数のダイオードを直列接続して0.7Vの倍数を作ります。

コンビネーションクリッパー

コンビネーションダイオードクリッパー

出典：Researchgate

入力電圧の正負両半サイクルの一部分をカットする場合に使用します。入力電圧が第1の電池電圧（+V1）を超えるとD1が激しく導通し、D2は逆バイアスとなります。出力には+V1が現れます。負半サイクルではD1が逆バイアスのまま+V1が維持され、入力が-V2の大きさを超えるとD2が導通し、出力は-V2でクランプされます。

バイアス付きダイオードクリッピング回路

バイアス付きダイオードクリッピング回路

出典：Tutorialspoint

バイアス電圧を用いると、様々なレベルで波形をクリップできます。ダイオードを順バイアスで導通させるには、V_BIAS + 0.7V が直列回路の電圧より小さくなければなりません。例えばV_BIAS = 5.5Vなら、6.2V以上の電圧で順バイアスとなり、それ以上の電圧レベルがクリップされます。

ネガティブバイアスダイオードクリッピング

バイアス電圧を変えると、異なるクリッピングレベルが得られます。正負両半サイクルをクリップするには、2つのバイアス付きダイオードを使用します。正側と負側のバイアス電圧は異なっていても構いません（例：正側8V、負側10V）。

ポジティブバイアスダイオードクリッピング

電池の極性とダイオードの向きを反転させます。負半サイクルでダイオードが導通すると、出力波形でV_BIASレベルが維持されます。

様々なバイアスレベルでのダイオードクリッピング

D1は正半サイクル電圧が+4.7Vに達すると導通し、波形を+4.7Vに制限します。D2が導通するには電圧が-6.7Vに達する必要があり、それ以下の負電圧と+4.7V以上の正電圧がクリップされます。クリッピングレベルを低く設定しすぎたり、入力波形が大きすぎたりすると、両ピークが除去されて矩形波に近い波形になってしまう点に注意が必要です。

ツェナーダイオードクリッピング回路

バイアス電圧で精密な制御が可能ですが、追加の電源が必要という欠点があります。そこでツェナーダイオードを使用します。ツェナーダイオードは逆バイアス降伏領域で動作するため、クリッピングや電圧調整に最適です。

順方向では通常のシリコンダイオードと同様に0.7Vの電圧降下があります。逆バイアスでは降伏電圧に達するまで電圧を遮断し、降伏電圧で波形をクリップします。負半サイクルでは順方向ダイオードとして0.7Vでクランプされます。

ダイオードクリッピング回路の用途

• 電源回路
• FM送信機で、特定ノイズレベルを超える信号の過剰リップルを除去
• 既存波形の調整や新しい波形の生成
• フリーホイールダイオードとしてトランジスタを過渡現象から保護
• デバイスへの入力電圧制限

まとめ

ダイオードクリッピング回路は、入力信号電圧や波形を特定レベル以下/以上に制限・カットする効果的な手段です。目的に応じて様々なタイプのクリッピング回路が存在します。

このトピックについてどうお考えですか？あなたのプロジェクトに最適なダイオードクリッピング回路選びでお困りなら、ぜひご相談ください。