Clamper (Elektronik) – Wikipedia

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Positive unverzerrte Spannungsklemmung verschiebt die Eingangswellenform vertikal, so dass alle Teile davon ungefähr größer als 0 V sind. Beachten Sie, dass der negative Schwung des Ausgangs unter der Annahme einer Silizium-pn-Diode nicht unter etwa –0,6 V abfällt.[1]

EIN klammern ist eine elektronische Schaltung, die entweder die positiven oder die negativen Spitzenausschläge eines Signals durch Verschieben seines Gleichstromwerts auf einen definierten Wert festlegt.[2] Der Clamper schränkt die Spitze-Spitze-Auslenkung des Signals nicht ein, sondern bewegt das gesamte Signal nach oben oder unten, um die Spitzen auf dem Referenzpegel zu platzieren. EIN Diodenklemme (ein einfacher, üblicher Typ) besteht aus einer Diode, die elektrischen Strom nur in eine Richtung leitet und verhindert, dass das Signal den Referenzwert überschreitet; und einen Kondensator, der einen Gleichstromversatz von der gespeicherten Ladung liefert. Der Kondensator bildet mit der Widerstandslast eine Zeitkonstante, die den Frequenzbereich bestimmt, über den der Clamper wirksam wird.

Allgemeine Funktion[edit]

Eine Klemmschaltung (auch als Clamper bezeichnet) bindet das obere oder untere Extrem einer Wellenform an einen festen Gleichspannungspegel. Diese Schaltungen werden auch als Gleichspannungswiederhersteller bezeichnet. Clampers können sowohl in positiver als auch in negativer Polarität konstruiert werden. Im unverzerrten Zustand setzen die Klemmkreise die untere Spannungsgrenze (oder die obere Grenze bei negativen Klemmgeräten) auf 0 Volt fest. Diese Schaltungen klemmen eine Spitze einer Wellenform auf einen bestimmten Gleichstrompegel im Vergleich zu einem kapazitiv gekoppelten Signal, das um seinen durchschnittlichen Gleichstrompegel schwingt.

Das Klemmnetzwerk ist ein Netzwerk, das ein Signal auf einen anderen Gleichstrompegel “klemmt”. Das Netzwerk muss einen Kondensator, eine Diode und ein Widerstandselement aufweisen, es kann jedoch auch eine unabhängige Gleichstromversorgung verwendet werden, um eine zusätzliche Verschiebung einzuführen. Die Größe von R und C muss so gewählt werden, dass die Zeitkonstante RC groß genug ist, um sicherzustellen, dass sich die Spannung am Kondensator während des Intervalls, in dem die Diode nicht leitend ist, nicht wesentlich entlädt.

Klemmkreise werden nach ihrer Funktionsweise kategorisiert; negativ oder positiv und voreingenommen oder unvoreingenommen. Eine positive Klemmschaltung (negative Spitzenklemme) gibt eine rein positive Wellenform von einem Eingangssignal aus; es versetzt das Eingangssignal so, dass die gesamte Wellenform größer als 0 V ist. Eine negative Klemme ist das Gegenteil davon – diese Klemme gibt eine rein negative Wellenform von einem Eingangssignal aus. Eine Vorspannung zwischen Diode und Masse versetzt die Ausgangsspannung um diesen Betrag.

Zum Beispiel ein Eingangssignal mit einem Spitzenwert von 5 V (V.INpeak = 5 V) wird an eine positive Klemme mit einer Vorspannung von 3 V (V) angelegtVORSPANNEN = 3 V) beträgt die Spitzenausgangsspannung:

V.OUTpeak = 2 × V.INpeak + V.VORSPANNEN
V.OUTpeak = 2 × 5 V + 3 V.
V.OUTpeak = 13 V.

Beachten Sie, dass die Spitze-Spitze-Auslenkung bei 2 bleibt V.

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Positiv unvoreingenommen[edit]

Eine positive unvoreingenommene Klammer.

Im negativen Zyklus des Eingangs-Wechselstromsignals ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leitet und lädt den Kondensator auf den negativen Spitzenwert von V aufIM. Während des positiven Zyklus ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und leitet daher nicht. Die Ausgangsspannung ist daher gleich der im Kondensator gespeicherten Spannung plus der Eingangsspannung.[3] also V.AUS = V.IM + V.INpeak. Dies wird auch als Villard-Schaltung bezeichnet.

Negativ unvoreingenommen[edit]

Eine negative unvoreingenommene Klammer

Eine negative unverzerrte Klemme ist das Gegenteil der äquivalenten positiven Klemme. Im positiven Zyklus des Eingangs-Wechselstromsignals ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leitet und lädt den Kondensator auf den positiven Spitzenwert von V aufIM. Während des negativen Zyklus ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und leitet daher nicht. Die Ausgangsspannung ist daher gleich der im Kondensator gespeicherten Spannung plus der Eingangsspannung wieder, also V.AUS = V.IM – V.INpeak.

Positiv voreingenommen[edit]

Eine positiv vorgespannte Spannungsklemme ist identisch mit einer äquivalenten vorgespannten Klemme, wobei jedoch die Ausgangsspannung um den Vorspannungsbetrag V versetzt istVORSPANNEN. Somit ist V.AUS = V.IM + (V.INpeak + V.VORSPANNEN).

Negativ voreingenommen[edit]

Eine negativ vorgespannte Spannungsklemme ist ebenfalls identisch mit einer äquivalenten vorgespannten Klemme, wobei jedoch die Ausgangsspannung in negativer Richtung um den Vorspannungsbetrag V versetzt istVORSPANNEN. Somit ist V.AUS = V.IM – (V.INpeak + V.VORSPANNEN).

Operationsverstärkerschaltung[edit]

Präzisions-Operationsverstärker-Klemmschaltung[4]

Die Abbildung zeigt eine Operationsverstärker-Klemmschaltung mit einer Referenzklemmspannung ungleich Null. Der Vorteil hierbei ist, dass der Klemmpegel genau auf der Referenzspannung liegt. Es ist nicht erforderlich, den Durchlassspannungsabfall der Diode zu berücksichtigen (der in den vorhergehenden einfachen Schaltungen erforderlich ist, da dies die Referenzspannung erhöht). Die Auswirkung des Diodenspannungsabfalls auf den Schaltungsausgang wird durch die Verstärkung des Verstärkers geteilt, was zu einem unbedeutenden Fehler führt. Die Schaltung hat auch eine große Verbesserung der Linearität bei kleinen Eingangssignalen im Vergleich zur einfachen Diodenschaltung und ist von Änderungen in der Last weitgehend unberührt.

Klemmung für Eingangsschutz[edit]

Durch Klemmen kann ein Eingangssignal an ein Gerät angepasst werden, das den Signalbereich des ursprünglichen Eingangs nicht nutzen kann oder durch diesen beschädigt werden kann.

Funktionsprinzipien[edit]

Während der ersten negativen Phase der AC-Eingangsspannung lädt sich der Kondensator in einer positiven Klemmschaltung schnell auf. Wie V.im positiv wird, dient der Kondensator als Spannungsverdoppler; da es das Äquivalent von gespeichert hat V.im während des negativen Zyklus liefert es fast diese Spannung während des positiven Zyklus. Dies verdoppelt im Wesentlichen die von der Last gesehene Spannung. Wie V.im negativ wird, wirkt der Kondensator als Batterie mit der gleichen Spannung von V.im. Die Spannungsquelle und der Kondensator wirken einander entgegen, was zu einer Nettospannung von Null führt, wie von der Last gesehen.

Wird geladen[edit]

Bei passiven Klemmgeräten mit Kondensator, gefolgt von einer Diode parallel zur Last, kann die Last die Leistung erheblich beeinträchtigen. Die Größe von R. und C. werden so gewählt, dass die Zeitkonstante,

τ=R.C.{ displaystyle tau = RC}

ist groß genug, um sicherzustellen, dass sich die Spannung am Kondensator während des nichtleitenden Intervalls der Diode nicht wesentlich entlädt. Ein zu niedriger Lastwiderstand (schwere Last) entlädt den Kondensator teilweise und bewirkt, dass die Wellenformspitzen von der beabsichtigten Klemmspannung abweichen. Dieser Effekt ist bei niedrigen Frequenzen am größten. Bei einer höheren Frequenz bleibt zwischen den Zyklen weniger Zeit, bis sich der Kondensator entladen hat.

Der Kondensator kann nicht beliebig groß gemacht werden, um die Lastentladung zu überwinden. Während des Leitungsintervalls muss der Kondensator aufgeladen werden. Die dafür benötigte Zeit wird durch eine andere Zeitkonstante bestimmt, die durch die Kapazität und die interne Impedanz der Ansteuerschaltung eingestellt wird. Da die Spitzenspannung in einem Viertelzyklus erreicht wird und dann wieder abfällt, muss der Kondensator in einem Viertelzyklus wieder aufgeladen werden. Diese Anforderung erfordert einen niedrigen Kapazitätswert.

Die beiden widersprüchlichen Anforderungen an den Kapazitätswert können bei Anwendungen mit einer hohen Ansteuerimpedanz und einer niedrigen Lastimpedanz unvereinbar sein. In solchen Fällen muss eine aktive Schaltung wie die oben beschriebene Operationsverstärkerschaltung verwendet werden.

Voreingenommen gegenüber nicht voreingenommen[edit]

Durch Verwendung einer Spannungsquelle und eines Widerstands kann der Clamper vorgespannt werden, um die Ausgangsspannung an einen anderen Wert zu binden. Die dem Potentiometer zugeführte Spannung entspricht dem Versatz von Null (unter der Annahme einer idealen Diode) im Fall eines positiven oder negativen Klemmens (der Klammertyp bestimmt die Richtung des Versatzes). Wenn entweder negativ oder negativ mit einer negativen Spannung versorgt wird, kreuzt die Wellenform die x-Achse und wird auf der gegenüberliegenden Seite an einen Wert dieser Größe gebunden. Zenerdioden können auch anstelle einer Spannungsquelle und eines Potentiometers verwendet werden, wodurch der Offset auf die Zenerspannung eingestellt wird.

Beispiele[edit]

Klemmschaltungen waren in analogen Fernsehempfängern üblich. Diese Geräte verfügen über eine DC-Wiederherstellungsschaltung, die die Spannung des Videosignals während der “hinteren Veranda” der Leitungsausblendungsperiode (Rücklauf) auf 0 V zurückgibt. Niederfrequenzstörungen, insbesondere Brummen der Stromleitung, die auf das Signal induziert werden, beeinträchtigen das Rendering des Bildes und führt in extremen Fällen dazu, dass der Satz die Synchronisation verliert. Diese Störung kann mit dieser Methode effektiv beseitigt werden.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Martin Hartley Jones (1995). Eine praktische Einführung in elektronische Schaltungen. Cambridge University Press. p. 261. ISBN 978-0-521-47879-3.
  2. ^ Makarov, Sergey N.; Ludwig, Reinhold; Bitar, Stephen J. (27. Juni 2016). Praktische Elektrotechnik. Schweiz: Springer International. p. 827. ISBN 9783319211732. OCLC 953450203.
  3. ^ Horowitz, Paul; Winfield, Hill (30. März 2015). Die Kunst der Elektronik Dritte Auflage. New York: Cambridge University Press. p. 37. ISBN 9780521809269.
  4. ^ SP Bali, Lineare integrierte Schaltungen, S.279, Tata McGraw-Hill, 2008 ISBN 0-07-064807-7.

Weiterführende Literatur[edit]

  • RM Marston (1991). Handbuch für Dioden-, Transistor- und Fet-Schaltungen. Neuheit. S. 13–17. ISBN 978-1-4831-3540-3.
  • Handbuch für Gleichrichteranwendungen HB214 / D Rev. 2. ON Semiconductor. Nov 2001. S. 160–161.
  • JA Coekin (1975). Hochgeschwindigkeits-Impulstechniken. Pergamon. S. 60–64. ISBN 978-1-4831-0548-2.

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