Klämma (elektronik)

Ej att förväxla med Clipper (elektronik) , en liknande krets som sätter fasta gränser och inte förskjuter signalen.

Ej att förväxla med Voltage clamp , en teknik och enhet som används inom elektrofysiologi.

Positiv opartisk spänningsklämning översätter den ingående vågformen vertikalt så att alla delar av den är ungefär större än 0 V. Utgångens negativa svängning kommer inte att sjunka under cirka −0,6 V, om man antar en PN-kiseldiod.

En klämma (eller klämkrets eller klämma ) är en elektronisk krets som fixerar antingen de positiva eller negativa toppavvikelserna för en signal till en definierad spänning genom att lägga till en variabel positiv eller negativ likspänning till den. Klämman begränsar inte signalens topp-till-topp-exkursion (klippning); den flyttar hela signalen uppåt eller nedåt för att placera dess toppar på referensnivån.

En diodklämma (en enkel, vanlig typ) består av en diod , som leder elektrisk ström i endast en riktning och förhindrar att signalen överskrider referensvärdet; och en kondensator , som tillhandahåller en DC-offset från den lagrade laddningen. Kondensatorn bildar en tidskonstant med en resistorbelastning , som bestämmer frekvensintervallet över vilket klämman kommer att vara effektiv.

Allmän funktion

En klämma kommer att binda den övre eller nedre extremen av en vågform till en fast likspänningsnivå. Dessa kretsar är också kända som DC-spänningsåterställare. Spännband kan konstrueras i både positiva och negativa polariteter. När de är opartiska kommer klämkretsar att fixera spänningens nedre gräns (eller övre gräns, i fallet med negativa klämmor) till 0 volt. Dessa kretsar klämmer fast en topp av en vågform till en specifik DC-nivå jämfört med en kapacitivt kopplad signal, som svänger runt sin genomsnittliga DC-nivå.

Spännnätet är ett som kommer att "klämma" en signal till en annan DC-nivå. Nätverket måste ha en kondensator, en diod och valfritt ett resistivt element och/eller belastning, men det kan också använda en oberoende DC-försörjning för att införa en ytterligare växling. Storleken på R och C måste väljas så att tidskonstanten RC är tillräckligt stor för att säkerställa att spänningen över kondensatorn inte laddas ur nämnvärt under det intervall som dioden är oledande.

Typer

Klämkretsar kategoriseras efter deras funktion: negativ eller positiv, och partisk eller opartisk. En positiv klämkrets (negativ toppklämma) matar ut en rent positiv vågform från en insignal; den förskjuter insignalen så att hela vågformen är större än 0 V. En negativ klämma är motsatsen till detta - denna klämma matar ut en rent negativ vågform från en insignal. En förspänning mellan dioden och jord förskjuter utspänningen med det beloppet.

Till exempel, en insignal med toppvärde 5 V (V _INpeak = 5 V) appliceras på en positiv klämma med en förspänning på 3 V (V _BIAS = 3 V), topputgångsspänningen kommer att vara:

V _OUTpeak = 2 × V _INpeak + V _BIAS

V _OUTpeak = 2 × 5 V + 3 V

V _OUTpeak = 13 V

  (Topp-till-topp-utflykten ligger kvar på 10 V.)

Positiv opartisk

En positiv opartisk klämma.

I den negativa cykeln för den ingående växelströmssignalen är dioden framåtspänd och leder, vilket laddar kondensatorn till det negativa toppvärdet _VIN . Under den positiva cykeln är dioden omvänt förspänd och leder således inte. Utspänningen är därför lika med spänningen lagrad i kondensatorn plus inspänningen, så V _OUT = V _IN + V _INpeak . Detta kallas också en Villard-krets .

Negativ opartisk

En negativ opartisk klämma

En negativ opartisk klämma är motsatsen till den ekvivalenta positiva klämman. I den positiva cykeln för den ingående växelströmssignalen är dioden framåtspänd och leder, vilket laddar kondensatorn till det positiva toppvärdet _VIN . Under den negativa cykeln är dioden omvänd förspänd och leder således inte. Utspänningen är därför lika med spänningen lagrad i kondensatorn plus ingångsspänningen igen, så V _OUT = V _IN − V _INpeak .

Positivt partisk

En positiv förspänd klämma

En positiv förspänd spänningsklämma är identisk med en ekvivalent opartisk klämma men med utspänningen förskjuten med förspänningsbeloppet V _BIAS . Således är VUT ₌ VIN ₊ ( _VINpeak + VBIAS ₎ .

Negativt partisk

En negativ förspänd klämma

En negativ förspänd spänningsklämma är likaledes identisk med en ekvivalent opartisk klämma men med utspänningen förskjuten i negativ riktning med förspänningsbeloppet _VBIAS . Således, VUT ₌ VIN _- ( _VINpeak + VBIAS ₎ .

Op-amp krets

Precision op-amp klämkrets

Figuren visar en op-amp -baserad klämkrets med en referensspänning som inte är noll. Fördelen här är att klämnivån ligger på exakt referensspänningen. Det finns inget behov av att ta hänsyn till diodens framåtspänningsfall (vilket är nödvändigt i de föregående enkla kretsarna eftersom detta ökar referensspänningen). Effekten av diodspänningsfallet på kretsutgången kommer att delas ned med förstärkarens förstärkning, vilket resulterar i ett obetydligt fel. Kretsen har också en stor förbättring i linjäritet vid små insignaler i jämförelse med den enkla diodkretsen och är i stort sett opåverkad av förändringar i belastningen.

Klämning för ingångsskydd

Klämning kan användas för att anpassa en insignal till en enhet som inte kan använda eller kan skadas av signalområdet för den ursprungliga ingången.

Funktionsprinciper

Under den första negativa fasen av AC-ingångsspänningen laddas kondensatorn i en positiv klämkrets snabbt. När V _in blir positiv, fungerar kondensatorn som en spänningsfördubblare; eftersom den har lagrat motsvarande V _i under den negativa cykeln, ger den nästan den spänningen under den positiva cykeln. Detta fördubblar i huvudsak spänningen som ses av lasten. När V _in blir negativ, fungerar kondensatorn som ett batteri med samma spänning på V _in . Spänningskällan och kondensatorn motverkar varandra, vilket resulterar i en nettospänning på noll sett av belastningen.

Läser in

För klämmor av passiv typ med en kondensator, följt av en diod parallellt med belastningen, kan belastningen påverka prestandan avsevärt. Storleken på R och C väljs så att tidskonstanten, ${\displaystyle \tau =RC} ,$ är tillräckligt stor för att säkerställa att spänningen över kondensatorn inte laddas ur signifikant under diodens icke-ledande intervall Ett belastningsmotstånd som är för lågt (tung belastning) kommer delvis att ladda ur kondensatorn och få vågformstopparna att driva bort den avsedda klämspänningen. Denna effekt är störst vid låga frekvenser. Vid en högre frekvens är det kortare tid mellan cyklerna för kondensatorn att ladda ur.

Kondensatorn kan inte göras godtyckligt stor för att övervinna lasturladdning. Under ledningsintervallet måste kondensatorn laddas. Tiden det tar att göra detta styrs av en annan tidskonstant, denna tid inställd av kapacitansen och den interna impedansen hos drivkretsen. Eftersom toppspänningen nås på en kvartscykel och sedan börjar sjunka igen måste kondensatorn laddas om på en kvartscykel. Detta krav kräver ett lågt värde på kapacitansen.

De två motstridiga kraven på kapacitansvärde kan vara oförenliga i applikationer med hög drivimpedans och låg lastimpedans. I sådana fall måste en aktiv krets användas, såsom op-amp-kretsen som beskrivs ovan.

Partisk kontra icke-partisk

Genom att använda en spänningskälla och resistor kan klämman förspännas för att binda utspänningen till ett annat värde. Spänningen som tillförs potentiometern kommer att vara lika med offset från noll (förutsatt en idealisk diod) i fallet med antingen en positiv eller negativ klämma (klämmans typ bestämmer riktningen för offset). Om en negativ spänning tillförs till antingen positiv eller negativ, kommer vågformen att korsa x-axeln och bindas till ett värde av denna storlek på den motsatta sidan. Zenerdioder kan också användas i stället för en spänningskälla och potentiometer, och ställer därför in offseten på Zener-spänningen.

Exempel

Spännkretsar var vanliga i analoga tv- mottagare. Dessa uppsättningar har en DC-återställningskrets, som returnerar spänningen för videosignalen under "back porch" av linjesläckningsperioden till 0 V. Lågfrekvent störning, särskilt brum från kraftledningar, som induceras på signalen förstör rendering av bilden och i extrema fall gör att uppsättningen förlorar synkronisering . Denna störning kan effektivt avlägsnas med denna metod.

Se även

• Clipper (elektronik) , en krets som sätter en fast gräns och inte förskjuter signalen
• Enveloppdetektor , en krets som matar ut maximalt (eller minimum); en klämma med diod och kondensator utbytta
• Schottky diod
• Snubber , en krets som minskar dV/dt eller begränsar toppspänningen, för att minska ljusbågsbildning eller genombrott

Vidare läsning

•   RM Marston (1991). Manual för diod-, transistor- och FET-kretsar . Nyhet. s. 13–17. ISBN 978-1-4831-3540-3 .
• Handbok för likriktareapplikationer HB214/D Rev. 2 . PÅ Halvledare . Nov 2001. s. 160–161.
•   JA Coekin (1975). Höghastighetspulstekniker . Pergamon. s. 60–64. ISBN 978-1-4831-0548-2 .