Zacisk (elektronika)

Dodatnie, nieobciążone zwarcie napięcia powoduje pionową translację kształtu fali wejściowej, tak że wszystkie jego części są w przybliżeniu większe niż 0 V. Ujemne wahanie sygnału wyjściowego nie spadnie poniżej około -0,6 V, zakładając krzemową diodę PN.

Zacisk (lub obwód zaciskający lub zacisk ) to obwód elektroniczny , który ustala dodatnie lub ujemne skoki szczytowe sygnału do określonego napięcia poprzez dodanie do niego zmiennego dodatniego lub ujemnego napięcia stałego . Clamper nie ogranicza skoku sygnału między szczytami (obcinanie); przesuwa cały sygnał w górę lub w dół, tak aby jego piki znalazły się na poziomie odniesienia.

Cęgi diodowe (prosty, powszechny typ) składają się z diody , która przewodzi prąd elektryczny tylko w jednym kierunku i zapobiega przekroczeniu przez sygnał wartości wzorcowej; oraz kondensator , który zapewnia przesunięcie prądu stałego w stosunku do zmagazynowanego ładunku. Kondensator tworzy stałą czasową z obciążeniem rezystora , która określa zakres częstotliwości, w których zacisk będzie skuteczny.

Funkcja ogólna

Zacisk wiąże górną lub dolną skrajność przebiegu ze stałym poziomem napięcia stałego. Obwody te są również znane jako przywracacze napięcia stałego. Zaciski mogą być konstruowane zarówno z polaryzacją dodatnią, jak i ujemną. Gdy nie jest obciążony, obwody zaciskowe ustalają dolną granicę napięcia (lub górną granicę, w przypadku zacisków ujemnych) na 0 woltów. Obwody te ograniczają szczyt przebiegu do określonego poziomu prądu stałego w porównaniu z sygnałem sprzężonym pojemnościowo, który oscyluje wokół średniego poziomu prądu stałego.

Sieć zaciskająca to taka, która „zaciska” sygnał do innego poziomu prądu stałego. Sieć musi zawierać kondensator, diodę i opcjonalnie element rezystancyjny i/lub obciążenie, ale może również wykorzystywać niezależne zasilanie prądem stałym w celu wprowadzenia dodatkowego przesunięcia. Wielkość R i C musi być dobrana tak, aby stała czasowa RC była wystarczająco duża, aby zapewnić, że napięcie na kondensatorze nie ulegnie znacznemu rozładowaniu w okresie nieprzewodzenia diody.

typy

Obwody cęgowe są podzielone na kategorie według ich działania: ujemne lub dodatnie oraz spolaryzowane lub nieobciążone. Obwód dodatniego zacisku (ujemny zacisk szczytowy) wyprowadza czysto dodatni przebieg z sygnału wejściowego; przesunie sygnał wejściowy tak, że cały przebieg jest większy niż 0 V. Cęgi ujemne są tego przeciwieństwem — te cęgi wyprowadzają czysto ujemny przebieg z sygnału wejściowego. Napięcie polaryzacji między diodą a masą równoważy napięcie wyjściowe o tę wartość.

Na przykład, sygnał wejściowy o wartości szczytowej 5 V (V _INpeak = 5 V) zostanie przyłożony do zacisku dodatniego z polaryzacją 3 V (V _BIAS = 3 V), szczytowe napięcie wyjściowe będzie wynosić:

V _OUTpeak = 2 × V _INpeak + V _BIAS

V _OUTpeak = 2 × 5 V + 3 V

V _OUTpeak = 13 V

(Wyskok między szczytami pozostaje przy 10 V.)

Pozytywnie bezstronny

Dodatni nieobciążony zacisk.

W ujemnym cyklu wejściowego sygnału AC dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia i przewodzi, ładując kondensator do szczytowej ujemnej wartości _VIN . Podczas cyklu dodatniego dioda jest spolaryzowana zaporowo i dlatego nie przewodzi. Napięcie wyjściowe jest zatem równe napięciu zmagazynowanemu w kondensatorze plus napięcie wejściowe, więc V _OUT = V _IN + V _INpeak . Nazywa się to również obwodem Villarda .

Negatywne bezstronne

Ujemny nieobciążony zacisk

Ujemny nieobciążony zacisk jest przeciwieństwem równoważnego dodatniego zacisku. W dodatnim cyklu wejściowego sygnału AC dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia i przewodzi, ładując kondensator do szczytowej dodatniej wartości V _IN . Podczas cyklu ujemnego dioda jest spolaryzowana zaporowo i dlatego nie przewodzi. Napięcie wyjściowe jest zatem równe napięciu zmagazynowanemu w kondensatorze plus ponownie napięcie wejściowe, więc V _OUT = V _IN − V _INpeak .

Pozytywnie nastawiony

Zacisk spolaryzowany dodatnio

Dodatni zacisk napięciowy jest identyczny z równoważnym zaciskiem nieobciążonym, ale z napięciem wyjściowym przesuniętym o wartość odchylenia V _BIAS . Zatem V _OUT = V _IN + (V _INpeak + V _BIAS ).

Negatywne nastawienie

Zacisk z polaryzacją ujemną

Ujemnie spolaryzowany cęg napięcia jest podobnie identyczny jak równoważny cęg nieobciążony, ale z napięciem wyjściowym przesuniętym w kierunku ujemnym o wartość przesunięcia V _BIAS . Zatem V _OUT = V _IN - (V _INpeak + V _BIAS ).

Obwód wzmacniacza operacyjnego

Precyzyjny obwód zaciskowy wzmacniacza operacyjnego

Rysunek przedstawia obwód cęgowy oparty na wzmacniaczu operacyjnym z niezerowym referencyjnym napięciem cęgowym. Zaletą jest to, że poziom mocowania jest dokładnie na poziomie napięcia odniesienia. Nie ma potrzeby uwzględniania spadku napięcia diody w kierunku przewodzenia (co jest konieczne w poprzednich prostych obwodach, ponieważ zwiększa to napięcie odniesienia). Wpływ spadku napięcia diody na wyjście obwodu zostanie podzielony przez wzmocnienie wzmacniacza, co spowoduje nieznaczny błąd. Obwód ma również znaczną poprawę liniowości przy małych sygnałach wejściowych w porównaniu z prostym obwodem diodowym i jest w dużej mierze odporny na zmiany obciążenia.

Zaciskanie do ochrony wejścia

Zaciskania można użyć do dostosowania sygnału wejściowego do urządzenia, które nie może wykorzystać lub może zostać uszkodzone przez zakres sygnału oryginalnego wejścia.

Zasady działania

Podczas pierwszej ujemnej fazy napięcia wejściowego prądu zmiennego kondensator w dodatnim obwodzie zaciskowym szybko się ładuje. Gdy V _in staje się dodatnie, kondensator służy jako podwajacz napięcia; ponieważ przechowuje odpowiednik V _podczas cyklu ujemnego, zapewnia prawie takie napięcie podczas cyklu dodatniego. Zasadniczo podwaja to napięcie widziane przez obciążenie. Gdy Vin _staje się ujemne, kondensator działa jak bateria o tym samym napięciu _co Vin . Źródło napięcia i kondensator przeciwdziałają sobie nawzajem, co powoduje, że napięcie sieciowe jest równe zeru widzianemu przez obciążenie.

Ładowanie

W przypadku cęgów typu pasywnego z kondensatorem, po którym następuje dioda równolegle z obciążeniem, obciążenie może znacząco wpłynąć na wydajność. Wielkość R i C dobiera się tak, aby $,$ czasowa była że napięcie na kondensatorze nie rozładowuje się znacząco podczas okresu nieprzewodzenia Zbyt niska rezystancja obciążenia (duże obciążenie) spowoduje częściowe rozładowanie kondensatora i spowoduje, że szczyty przebiegu będą odchylać się od zamierzonego napięcia zacisku. Efekt ten jest największy przy niskich częstotliwościach. Przy wyższej częstotliwości jest mniej czasu między cyklami na rozładowanie kondensatora.

Kondensator nie może być dowolnie duży, aby przezwyciężyć rozładowanie obciążenia. Podczas przerwy w przewodzeniu kondensator musi być ponownie naładowany. Czas potrzebny na to jest regulowany przez inną stałą czasową, tym razem określoną przez pojemność i impedancję wewnętrzną obwodu sterującego. Ponieważ napięcie szczytowe jest osiągane w jednej ćwiartce cyklu, a następnie zaczyna ponownie spadać, kondensator musi być ładowany w jednej ćwiartce cyklu. To wymaganie wymaga niskiej wartości pojemności.

Te dwa sprzeczne wymagania dotyczące wartości pojemności mogą być nie do pogodzenia w zastosowaniach z wysoką impedancją sterującą i niską impedancją obciążenia. W takich przypadkach należy zastosować obwód aktywny, taki jak opisany powyżej obwód wzmacniacza operacyjnego.

Stronniczy kontra nieuprzedzony

Używając źródła napięcia i rezystora, zacisk może być spolaryzowany, aby związać napięcie wyjściowe z inną wartością. Napięcie dostarczane do potencjometru będzie równe przesunięciu od zera (przy założeniu idealnej diody) w przypadku zacisku dodatniego lub ujemnego (typ zacisku będzie decydował o kierunku przesunięcia). Jeśli napięcie ujemne zostanie dostarczone do dodatniego lub ujemnego, przebieg przetnie oś x i zostanie powiązany z wartością tej wielkości po przeciwnej stronie. Diody Zenera mogą być również stosowane zamiast źródła napięcia i potencjometru, stąd ustawienie offsetu na napięciu Zenera.

Przykłady

Obwody zaciskowe były powszechne w analogowych odbiornikach telewizyjnych. Te zestawy są wyposażone w obwód przywracania prądu stałego, który przywraca napięcie sygnału wideo podczas „tylnego ganku” okresu wygaszania (powrotu) linii do wartości 0 V. Zakłócenia o niskiej częstotliwości, zwłaszcza przydźwięk linii energetycznej, indukowane w sygnale psują sygnał renderowania obrazu, aw skrajnych przypadkach powoduje utratę synchronizacji zestawu . Zakłócenia te można skutecznie usunąć tą metodą.

Zobacz też

Clipper (elektronika) , obwód, który narzuca stały limit i nie kompensuje sygnału
Detektor obwiedni , obwód, który wyprowadza maksimum (lub minimum); zacisk z wymienioną diodą i kondensatorem
Dioda Schottky'ego
Snubber , obwód, który zmniejsza dV/dt lub ogranicza napięcie szczytowe, w celu zmniejszenia wyładowań łukowych lub przebicia

Dalsza lektura

RM Marstona (1991). Podręcznik obwodów diodowych, tranzystorowych i FET . Nowość. s. 13–17. ISBN 978-1-4831-3540-3 .
Podręcznik zastosowań prostowników HB214/D Rev. 2 . ON Półprzewodnikowy . listopad 2001. s. 160–161.
JA Coekin (1975). Techniki szybkich impulsów . Pergamon. s. 60–64. ISBN 978-1-4831-0548-2 .