Clamper-Schaltungen
Definition: Clamper-Schaltungen sind die elektronischen Schaltungen, die den Gleichspannungspegel des Wechselstromsignals verschieben. Clampers werden auch als Gleichspannungswiederherstellungsschaltungen oder Level Shifter bezeichnet. Clampers werden grundsätzlich als positiv und negativ klassifiziert, was sowohl vorgespannte als auch nicht vorgespannte Zustände umfasst.
Diese Schaltungen werden verwendet, um ein Eingangssignal auf einen anderen Gleichspannungspegel zu klemmen. Sie fügen dem angelegten Eingangssignal eine Gleichstromkomponente hinzu, um das Signal entweder auf die positive oder negative Seite zu schieben. Die Clamper-Schaltung ist eine Kombination aus einem Widerstand, einer Diode und einem Kondensator. Manchmal wird auch eine Gleichstrombatterie eingesetzt, um eine zusätzliche Verschiebung des Signalpegels zu erreichen.
Clamper-Schaltungen sind ähnlich aufgebaut wie Clipper-Schaltungen. Allerdings enthält Clamper ein zusätzliches Ladeelement, nämlich den Kondensator in seinem Schaltkreis. Die Kombination von Widerstand und Kondensator in der Clamper-Schaltung wird verwendet, um verschiedene Gleichstrompegel am Ausgang der Clamper-Schaltung aufrechtzuerhalten.
Arbeitsprinzip von Clamper-Schaltungen
Wie wir bereits besprochen haben, besteht eine Clamper-Schaltung aus einem Kondensator und einer Diode im Nebenschluss mit der Last.
Das Funktionieren von Clamper-Schaltungen hängt von der Veränderung der Zeitkonstante des Kondensators ab. Diese Veränderung ergibt sich aus der Änderung des Strompfades der Diode mit der Änderung der Polarität des Eingangssignals.
Die Größe der Zeitkonstante ist hier
τ= RC
sie wird groß genug gewählt, um sicherzustellen, dass die Spannung am Kondensator sich nicht im nichtleitenden Bereich der Diode entlädt. Eine solche Entladung findet aber nur statt, wenn der Lastwiderstand sehr groß ist. Dadurch kann der Kondensator eine größere Entladezeit in Anspruch nehmen. Umgekehrt wird ein kleinerer Wert des Kondensators so gewählt, dass er sich zum Zeitpunkt des Leitens der Diode schnell auflädt.
Klassifizierung von Klemmschaltungen
Klemmschaltungen werden in folgende Gruppen eingeteilt:
Positivklemmschaltung
Die folgende Abbildung zeigt die Schaltung einer Positivklemmschaltung-
Wie wir hier sehen können, ist die Diode parallel zur Last geschaltet. Wir können also sagen, dass die Sperrvorspannung der Diode den Ausgang an der Last bereitstellt.
Anfänglich wird die Diode durch die positive Hälfte des angelegten Eingangssignals in Sperrrichtung vorgespannt, aber der Kondensator ist noch nicht geladen. Daher wird zu diesem Zeitpunkt der Ausgang nicht berücksichtigt.
Für die negative Hälfte des Wechselstromsignals wird der Kondensator nun vollständig bis zur Spitze des Wechselstromsignals aufgeladen, jedoch mit umgekehrter Polarität. Diese negative Hälfte spannt die Diode in Vorwärtsrichtung an, was dazu führt, dass der Vorwärtsstrom durch die Diode fließt. Bei der nächsten positiven Hälfte wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt, wodurch am Ausgang ein Signal erscheint.
Zu Beginn der positiven Hälfte des Wechselstromsignals befindet sich die Diode im nichtleitenden Zustand, was zu einer Entladung der Kondensatorladung führt. Am Ausgang steht also die Summe aus der am Kondensator gespeicherten Spannung und dem AC-Eingangssignal an. Dies ist gegeben durch
Vo = Vm + Vm = 2Vm
Wie wir in der oben gezeigten Ausgangswellenform sehen können, ist der Signalpegel nach oben oder zur positiven Seite hin verschoben. Daher wird sie als positive Clamper-Schaltung bezeichnet.
Negative Clamper-Schaltung
Lassen Sie uns einen Blick auf die unten gezeigte Abbildung der negativen Clamper-Schaltung werfen, um die detaillierte Funktionsweise zu verstehen-
Zu dem Zeitpunkt, zu dem die positive Hälfte des AC-Eingangs angelegt wird, kommt die Diode in Durchlassvorspannung, was zu einem Leerlaufstrom am Ausgang führt. Es fließt jedoch ein Durchlassstrom durch die Diode, der den Kondensator auf den Spitzenwert des Wechselstromsignals auflädt, allerdings wieder mit umgekehrter Polarität. Der Kondensator wird hier bis zum vorwärtsgerichteten Zustand der Diode aufgeladen.
Wenn die negative Hälfte des Wechselstromsignals angelegt wird, wird die Diode nun in Sperrrichtung vorgespannt. Dadurch kann am Ausgang der Schaltung ein Laststrom auftreten. Dieser nichtleitende Zustand der Diode entlädt nun den Kondensator. Am Ausgang wird also eine Summierung der Kondensatorspannung mit der Eingangsspannung erreicht.
Am Ausgang ergibt sich daher:
Vo = – Vm – Vm = -2Vm
Das Ergebnis ist eine Abwärtsverschiebung des Signals. Daher wird sie als negative Klemmschaltung bezeichnet.
Positive Klemmschaltung mit Vorspannung
Dies wird im Grunde genommen gemacht, um eine zusätzliche Verschiebung des Signalpegels einzuführen. Hier gibt es zwei Arten von Vorspannung für die Schaltung. Es kann sich um eine positiv oder negativ vorgespannte Schaltung handeln. Daher werden wir beide Fälle getrennt behandeln.
1. Fall der positiven Vorspannung
Die Funktionsweise ist fast ähnlich wie im Fall der positiven Vorspannung ohne Vorspannung, aber hier wird eine zusätzliche Spannung bereitgestellt, um eine zusätzliche Verschiebung des Signalpegels zu erreichen.
Wenn die positive Hälfte des Eingangssignals angelegt wird, ist die Diode aufgrund des Wechselstromeingangs in Sperrichtung vorgespannt, aber aufgrund der Batteriespannung in Vorwärtsrichtung. Solange die Batteriespannung nicht größer ist als der Wechselstromeingang, leitet die Diode. Dieser Vorwärtsstrom durch die Diode lädt den Kondensator auf, allerdings mit der Batteriespannung. Wenn die Wechselstromeingangsspannung die Batteriespannung übersteigt, wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt und leitet nicht mehr.
Bei Anlegen der negativen Hälfte des Eingangssignals ist die Diode nun aufgrund der Wechselstromeingangs- und der Batteriespannung in Vorwärtsrichtung vorgespannt und beginnt zu leiten. Dadurch wird der Kondensator mit der Summation der Eingangswechselspannung und der Batteriespannung geladen. Daher wird ein solcher Ausgangsspannungspegel erreicht.
2. Fall von negativer Vorspannung
Zum Zeitpunkt der positiven Hälfte des Wechselstromsignals wird die Diode durch die Wechselstromeingangs- und Batteriespannung in Sperrichtung vorgespannt. Dadurch fließt der Strom durch die Last und hält die Spannung aufrecht.
Zum Zeitpunkt der negativen Hälfte des Wechselstromsignals ist die Diode durch den Wechselstromeingang in Durchlassrichtung vorgespannt, aber durch die Batteriespannung in Sperrichtung vorgespannt. Die Diode leitet also nur, wenn der Wechselstromeingang die Batteriespannung dominiert. Dadurch wird der Kondensator aufgeladen und wir erhalten ein verschobenes Signal am Ausgang.
Negative Klemmschaltung mit Vorspannung
In ähnlicher Weise wie zuvor wird die negative Klemmschaltung mit positiver und negativer Vorspannung versorgt. Lassen Sie uns nun weitergehen und beide Fälle getrennt besprechen.
1. Fall der positiven Vorspannung
Wie wir bereits besprochen haben, verschiebt ein negativer Clamper das Signal nach unten. Im Falle der positiv vorgespannten negativen Klemme wird das Signal jedoch aufgrund der positiv angelegten Batteriespannung etwas ins Positive angehoben. Wenn die positive Hälfte des Wechselstromsignals anliegt, ist die Diode aufgrund der Wechselstromversorgung in Durchlassrichtung vorgespannt, aber aufgrund der Batteriespannung in Sperrichtung vorgespannt. Die Diode leitet also, wenn die Wechselstromversorgung die Batteriespannung übersteigt.
Weiter in der negativen Hälfte ist die Diode nun aufgrund der Wechselstromversorgung und der Batteriespannung in Sperrrichtung vorgespannt. Dieser nichtleitende Zustand der Diode entlädt den Kondensator. So erscheint die Spannung über dem Kondensator am Ausgang.
2. Fall von negativer Vorspannung
Zum Zeitpunkt der positiven Hälfte des Wechselstromeingangs wird die Diode durch die Wechselstromversorgung und die Batteriespannung in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Dadurch beginnt der Stromfluss durch die Diode. Dadurch wird der Kondensator aufgeladen.
Zum Zeitpunkt der negativen Hälfte wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt, leitet aber aufgrund der von der Batterie angelegten Vorwärtsspannung weiter. Der Diodenstrom fließt so lange, bis die Batteriespannung größer ist als die Wechselstrom-Eingangsspannung. Wenn die Eingangswechselspannung die Batteriespannung übersteigt, wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt und der Kondensator entlädt sich. So erscheint die Spannung über dem Kondensator an der Last.
Anwendungen von Klemmschaltungen
- Klemmschaltungen werden verwendet, um die Polarität der Schaltungen zu identifizieren.
- Diese Schaltungen werden als Spannungsverdoppler verwendet und helfen, Verzerrungen zu beseitigen.
- Die Rücklaufzeit kann mit Hilfe von Clampern verbessert werden.
Clipper und Clamer haben fast die gleichen konstruktiven Merkmale, aber die Einführung eines neuen Elements in Clampern unterscheidet die Funktionsweise der beiden.