3.4: Затискачі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 30813

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Затискач - це схема, яка додає зміщення постійного струму до сигналу змінного струму таким чином, що результуюча напруга є однополярним. Позитивний затискач додає позитивний зсув таким чином, що колишній негативний пік тепер сидить на нульових вольтах. У подібній моді негативний затискач додає негативного зміщення таким чином, що колишній позитивний пік зараз сидить на нульових вольтах. Затискачі також називають відновлювачами постійного струму. Затискачі також можуть бути упередженими, щоб нова пікова точка була чимось іншим, ніж нульові вольти.

Концепція затискача досить проста; ми просто додаємо постійну напругу до існуючого сигналу змінного струму. Хитрість полягає в тому, щоб отримати ланцюг, щоб автоматично визначити, яким повинен бути зсув постійного струму. Таким чином, якщо амплітуда вхідного сигналу змінюється, зміщення може відстежувати з ним.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Прототип ланцюга зміщення постійного струму.

Для початку розглянемо схему прототипу на рис\(\PageIndex{1}\). Це фіксована схема зміщення постійного струму. Джерело постійного струму\(E\) додає позитивне зміщення вхідного сигналу. Якщо зсув дорівнює піковому значенню входу, негативний пік підніметься до нуля вольт і діод ніколи не включиться (мається на увазі, що він не буде навантажувати вхід і змінювати форму хвилі).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Позитивний затискач.

На\(\PageIndex{2}\) малюнку фіксоване джерело постійного струму замінено конденсатором. Цей конденсатор використовується для створення зміщення постійного струму. На відміну від фіксованого джерела, напруга конденсатора буде змінюватися в залежності від пікового значення входу і, отже, точно компенсується для отримання ідеально затиснутого вихідного сигналу. Поки постійна часу для цього конденсатора та навколишнього опору набагато довша, ніж період вхідної форми хвилі, вона досягне належної дії затиску.

Ось як працює схема. Для початкового позитивного циклу конденсатор розряджений, а діод зміщений в зворотному напрямку. Оскільки постійна\(RC\) часу набагато довша за вхідний період, вихідна напруга просто слідує за вхідною напругою. Як тільки вхідний сигнал гойдається негативно, включається діод. Це обходить паралельний резистор і різко зменшує постійну часу заряду. Це означає, що напруга конденсатора почне відстежувати негативну частину вхідного сигналу, тоді як вихід залишається біля нульових вольт. Зверніть увагу, що напруга конденсатора матиме полярність мінус-плюс зліва направо, відповідно до закону напруги Кірхгофа. Напруга конденсатора буде відстежувати негативну вхідну напругу аж до негативного піку. Як тільки вхід почне зворотний нахил і підніматися до нуля, діод буде вимкнений через потенціал, який тепер утримується на конденсаторі. У цей момент конденсатор має напругу на ньому, що еквівалентно негативному піковому значенню вхідного сигналу, і він буде вести себе так само, як фіксоване джерело напруги постійного струму в прототипі. Вхід тільки зараз починає відстежувати в позитивному напрямку від його негативного піку, поки конденсатор тримає таку ж величину напруги. Результатом є те, що вихід знаходиться на нульових вольтах, і оскільки вхід продовжує коливатися позитивно, вихід буде відстежувати його, тим самим створюючи бажаний зсув рівня.

Звичайно, схеми ніколи не бувають ідеальними. По-перше, пряме падіння напруги діода призведе до негативного піку, який не точно при нульових вольтах, а натомість становить близько −0.7 вольт. По-друге, може знадобитися більше одного циклу входу, щоб «захопити» пікове значення, все залежно від періоду та точних постійних часу заряду та розряду. Як неважко здогадатися, перегортання полярності діода призведе до негативного затиску замість позитивного затискача. Крім того, якщо ми додамо джерело постійного струму послідовно з діодом, як ми робили з упередженим кліпером, ми можемо створити упереджений затискач. Це показано на малюнку\(\PageIndex{3}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Упереджений позитивний затискач.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Визначте вихідний сигнал для схеми на рис\(\PageIndex{3}\). Вхідна напруга - це пікова синусоїда 10 вольт на частоті 1 кГц. \(C = 10\)\(\mu\)F,\(R = 10\) k\(\Omega\),\(V_{clamp} = 5.7\) вольт і\(D\) являє собою кремнієвий комутаційний діод.

Конфігурація являє собою позитивний зміщений затискач. По-перше, потрібно стежити за тим, щоб час розряду постійний був набагато більше періоду. Період дорівнює\(1/f\), або 1 мілісекунда. Час розряду постійна

\[\tau =RC \nonumber \]

\[\tau =10 k \Omega \times 10 \mu F \nonumber \]

\[\tau =100 \text{ milliseconds} \nonumber \]

Джерело затиску постійного струму видасть позитивне зміщення на 5 вольт (5,7 вольт мінус 0,7 вольт вперед падіння діода). Це означає, що ми повинні побачити синусоїду від піку до піку 20 вольт, яка коливається між +5 вольт і +25 вольт.

Комп'ютерне моделювання

Щоб перевірити аналіз Приклад\(\PageIndex{1}\), схема захоплюється, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Використовується загальний комутаційний діод 1N914.

Рисунок\(\PageIndex{4}\): Схема моделювання для зміщеного затискача Приклад\(\PageIndex{1}\).

Рисунок\(\PageIndex{5}\): Перехідний аналіз для зміщеного затискача Приклад\(\PageIndex{1}\).

Перехідний аналіз показаний на малюнку\(\PageIndex{5}\) і точно такий, як передбачено. Форма вхідної хвилі синя, а затиснутий вихід показаний червоним кольором. Аналіз був затриманий на десять мілісекунд для того, щоб пройти початкову фазу заряду і спостерігати за роботою стаціонарного стану.