Klimschakelingen begrijpen: theorie, simulatie en praktische toepassingen

Een klemmer is een passieve elektronische schakeling die de piekamplitude van een golfvorm beperkt. De volgende analyse richt zich op een negatieve-klemmer configuratie, illustrerend hoe een enkele diode en weerstand het signaal onder een ingestelde spanningsdrempel beperken.

Klemmerschakeling werking analyse

Het schema is gegenereerd met het Xcircuit-opnameprogramma, en de bijbehorende SPICE netlijst is automatisch geëxporteerd. Kleine aanpassingen zijn aan de netlijst gemaakt met een teksteditor om de diodecomponent in te voegen.

*SPICE 03437.eps * A K ModelName D1 0 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran .05m 3m .end

Klemmer: klemt negatieve piek op –0,7 V.

Positieve half-cyclus

Wanneer de invoersinusgolf stijgt naar zijn positieve piek (5 V), is de diode achterwaarts-gebiaiseerd en blijft niet-geleidend. De uitgang op knooppunt 2 spiegelt de invoer tijdens deze half-cyclus, zoals getoond in de simulatie. Voor weergavehelderheid verschuift de simulator's "plot v(1)+1" commando de invoergolf met 1 V omhoog.

In de plot is V(1)+1 eigenlijk de 10 V piek-tot-piek sinusgolf, verschoven omhoog. De uitgang V(2) wordt geklemd op –0,7 V door diode D1.

Negatieve half-cyclus

Tijdens de negatieve deel van de sinusgolf wordt de diode voorwaarts-gebiaiseerd en geleidt. De invoer wordt effectief naar massa bekortsloten, wat ervoor zorgt dat de uitgang de invoer volgt tot het de voorwaartse-valdrempel van de diode bereikt. Voor een siliciumdiode is de standaard voorwaartse spanning 0,7 V tenzij het gemodelleerd is anders. Germanium of Schottky diodes zullen op lagere spanningen klemmen, wat geverifieerd kan worden tegen hun datasheets.

De simulatie toont dat de klemming alleen optreedt nadat de invoer –0,7 V overschrijdt; de diode geleidt niet gedurende de hele negatieve half-cyclus.

Symmetrische klemmerschakeling

Het toevoegen van een anti-parallele diode aan de bestaande configuratie levert een symmetrische klemmer die zowel positieve als negatieve pieken beperkt. De volgende netlijst weerspiegelt deze wijziging:

*SPICE 03438.eps D1 0 2 diode D2 2 0 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

Symmetrische klemmer: Anti-parallele diodes klemmen zowel positieve als negatieve pieken, producerend een ±0,7 V uitgang.

Diode D1 klemt de negatieve half-cyclus op –0,7 V, terwijl D2 geleidt tijdens de positieve half-cyclus zodra de invoer +0,7 V overschrijdt. De overgebleven spanning valt over de serieweerstand, wat ervoor zorgt dat de uitgang nooit ±0,7 V overschrijdt.

Simulatie bevestigt het verwachte klemgedrag voor beide diodes.

Algemene vorm van de diodeklemmer

Het veelzijdigste diodeklemmerontwerp omvat instelbare spanningsreferenties om nauwkeurige klemniveaus in te stellen. Voor een echte siliciumdiode moet de voorwaartse val in de referentiespanningen meegerekend worden. In het onderstaande voorbeeld begint D1 te geleiden bij 1,3 V + 0,7 V = 2,0 V, en D2 bij –2,3 V – 0,7 V = –3,0 V.

*SPICE 03439.eps V1 3 0 1.3 V2 4 0 -2.3 D1 2 3 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V3 1 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.05m 3m .end

D1 klemt de invoer op 2 V; D2 klemt op –3 V.

Om slechts één kant te klemmen, verwijder simpelweg de corresponderende diode en spanningsbron. De volgende simulatie demonstreert een klemmer die de positieve half-cyclus beperkt tot 2 V terwijl de negatieve half-cyclus ongewijzigd doorlaat.

Zenerdiode klemmer

Een Zenerdiode kan zowel de klemdiode als de DC-referentiespanning vervangen, wat een zelf-gebiaiseerd klemniveau biedt bepaald door de Zener-doorbraakspanning. Deze configuratie is vooral nuttig in hoogspanningstoepassingen waar nauwkeurige klemming vereist is.

Praktische toepassing van klemmerschakelingen

Klemmerschakelingen dienen als cruciale beschermingsapparaten in veel elektronische systemen. Bijvoorbeeld, bij het versterken stemmen voor het invoeren in een radiozender, voorkomt een klemmer dat het versterkte signaal de lineaire bereik van de zender overschrijdt. Oversturing van de zender vervormt niet alleen de uitgang, maar genereert ook spurieuze emissies die aangrenzende stations kunnen storen.

De klemmer in de figuur beschermt de zender door piekspanningsuitwijkingen veroorzaakt door luid spraak te beperken.

Andere gangbare toepassingen omvatten:

• Omzetten van een sinusgolf in een blokgolf door een klemmer bewust over te sturen.
• Beschermen van de invoertrappen van geïntegreerde schakelingen. In een CMOS IC refereren de klemdiodes de 0 V en +5 V rails, wat de invoer klemt tot het veilige werkbereik van het apparaat.
• Gebruik van een weerstand-diode paar met een DC-bias om op een willekeurig spanningsniveau te klemmen, een techniek gebruikt in niveauverschuiving en signaalconditionering.

Samenvatting

• Weerstand-diode paren klemmen het signaal op een vooraf bepaalde spanning.
• Anti-parallele Si-diodes bieden symmetrische klemming op ±0,7 V.
• Gegronde diode terminalen kunnen vervangen worden door een DC-bias om willekeurige klemdrempels in te stellen.
• Klemmerschakelingen fungeren als beschermingselementen, die signalen voorkomen de gespecificeerde limieten te overschrijden.

GERELATEERDE WERKBLADEN:

• Klemmer en Klemmerschakelingen Werkblad