Dioden-Klemmschaltungen – Positive, negative und vorgespannte Klemmschaltungen

Zuvor haben wir etwas über Klemmschaltungen gelernt, die dazu dienen, den positiven oder negativen Teil der alternierenden Wellenform abzuschneiden. Heute lernen wir Clamper-Schaltungen kennen, die dazu dienen, den Gleichstrompegel des Ausgangssignals zu begrenzen, ohne die Wellenform zu verzerren, d.h. sie sind Level-Shifter-Schaltungen. Sie können mit Kondensator, Diode und Widerstand aufgebaut werden. Der Unterschied zwischen einer Clipper- und einer Clamper-Schaltung besteht darin, dass die Clipper-Schaltung die Form der Wellenform verändert, während die Clamper-Schaltung nur den Gleichstrompegel des Ausgangssignals manipuliert.

Bei der Auswahl des Widerstands und des Kondensators muss man sich über die Entladezeit des Kondensators im Klaren sein, da er die Zeitspanne der Wellenform beibehält. Sie muss deutlich größer sein als die Hälfte der Zeitspanne, damit sich der Kondensator langsam entlädt. Der Elektrolytkondensator sollte nicht in Klemmschaltungen verwendet werden, da er sich nur langsam auflädt und entlädt. Die Entladezeit () kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

t (Tau) = RC

Wobei R der in der Schaltung verwendete Widerstand und C die Kapazität des Kondensators ist.

Es gibt hauptsächlich drei Arten von Klammerschaltungen, die auf der Klammerung basieren:

  1. Positive Clamper
  2. Negative Clamper
  3. Biased Clamper

Positive Clamper

Wenn der negative Zyklus oberhalb des Nullspannungspegels klemmt/verschiebt, dann wird die Clamper-Schaltung als Positive Clamper bezeichnet, weil das gesamte Signal auf die positive Seite verschoben wird. Es ist eine wirklich einfache Schaltung zu entwerfen, du musst nur dem Schaltplan unten folgen:

Schließe zuerst den 12V (AC-Quelle) Pin des Transformators an den Kondensator an und verbinde dann den negativen Anschluss der Diode mit dem anderen Anschluss des Kondensators und den positiven Anschluss mit dem 0V Pin des Transformators. Schließen Sie nun einen 10K-Widerstand parallel zur Diode an. Schließen Sie den Kanal A des Oszilloskops an die Eingangsseite und den Kanal B an die Ausgangsseite an, wie in der Abbildung gezeigt. Jetzt können Sie loslegen. Schalte den Transformator und das Oszilloskop ein und stelle beide Kanäle auf 0 V ein. Du wirst sehen, dass der Kanal B nach oben verschoben ist, wie unten gezeigt:

Während des ersten positiven Halbzyklus ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und der Kondensator wird nicht auf den Spitzenwert aufgeladen. Aber während des negativen Halbzyklus wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und der Kondensator wird auf seinen Spitzenwert Vm aufgeladen. Die Ausgangsspannung ist dann:

Vo= Vi + Vm

Dabei ist Vi die Eingangsspannung, Vo die Ausgangsspannung und Vm die maximale Spannung, auf die der Kondensator aufgeladen wird. Der Ausgang wird also um den Wert + Vm verschoben. Diese Verschiebung hängt ausschließlich von der im Kondensator gespeicherten Ladung ab.

Negative Clamper

Wenn der positive Zyklus unter dem Nullspannungspegel klemmt/verschiebt, dann wird die Clamper-Schaltung als Negative Clamper bezeichnet, weil das gesamte Signal zur negativen Seite verschoben wird. Der Schaltplan für einen Negative Clamper ist unten abgebildet:

Schließe zunächst den 12-V-Stift (Wechselstromquelle) des Transformators an den Kondensator an und verbinde dann den positiven Anschluss der Diode mit dem anderen Anschluss des Kondensators und den negativen Anschluss mit dem 0-V-Stift des Transformators. Schließen Sie nun einen 10K-Widerstand parallel zur Diode an. Schließen Sie den Kanal A des Oszilloskops an die Eingangsseite und den Kanal B an die Ausgangsseite an, wie in der Abbildung gezeigt. Jetzt können Sie loslegen. Schalten Sie den Transformator und das Oszilloskop ein und stellen Sie beide Kanäle auf 0 V ein. Sie werden sehen, dass der Kanal B nach unten verschoben ist, wie in der Abbildung unten gezeigt. Der Kanal A ist gelb gefärbt und Kanal B ist blau gefärbt.

Während des ersten positiven Halbzyklus ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und der Kondensator wird auf den Spitzenwert Vm aufgeladen und während des negativen Halbzyklus wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt und wirkt als offener Stromkreis. Die Ausgangsspannung ist dann:

Vo= Vi + Vm

Dabei ist Vi die Eingangsspannung, Vo die Ausgangsspannung und Vm die maximale Spannung, auf die der Kondensator geladen wird. Der Ausgang wird also um den Wert -Vm verschoben, da es sich um die negative Spannung handelt. Diese Verschiebung hängt ausschließlich von der im Kondensator gespeicherten Ladung ab.

Vorgespannte Klemme

Eine vorgespannte Klemme unterscheidet sich nicht von den bereits erwähnten positiven und negativen Klemmen. Sie besteht nur aus einer Vorspannung und einer Diode.

Wenn man also die Vorspannung mit einer positiven Klemme verbindet, wird sie einfach mit der Ausgangsspannung addiert und verschiebt sich zu einem positiveren Wert als die Vorspannung.

Und wenn man die Vorspannung mit einer negativen Klemme verbindet, wird sie einfach mit der Ausgangsspannung addiert und verschiebt sich zu einem negativeren Wert als die Vorspannung.

Aber denk daran, wenn du eine negative Vorspannung mit einer positiven Klemme verbindest, dann verschiebt sie sich nicht in den positiven Bereich, sondern in den negativen Bereich, weil sie von der Ausgangsspannung subtrahiert wird.

Und wenn du eine positive Vorspannung mit einer negativen Klemme verbindest, dann wird sie statt in den negativen Bereich in den positiven Bereich verschoben, weil sie von der Ausgangsspannung abgezogen wird.

Wir haben unten eine positive Klemme mit positiver Vorspannung entworfen.

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