Kompensieren des Durchlassspannungsabfalls eines Dioden-Signalgleichrichters

Das$R_1$,$R_3$und$D_1$Schaltung erzeugt grundsätzlich eine 0,6-V-Vorspannung auf der anderen Seite des Kondensators, sodass ein positiver Hub im Signal keine 0,6-V-Hürde überwinden muss.$D_1$und$R_3$bilden einen Shunt-Spannungsregler. Die Spannung von 0,6 V wird an übermittelt$D_2$was infolgedessen kurz vor dem Dirigieren steht. Es ist also nur ein kleiner positiver Aufschwung vom Eingang erforderlich, um ihn zum Leiten zu bringen. Da der Eingang kapazitiv gekoppelt ist, handelt es sich um reinen Wechselstrom. Seine Ausschläge werden der auf der anderen Seite des Kondensators vorhandenen Vorspannung additiv überlagert. Die 5-V-Quelle stammt nur von irgendwo im Rest der Schaltung. Daran ist nichts Besonderes.

Vielleicht können Sie eine andere Perspektive bekommen, indem Sie die Schaltung so neu zeichnen, dass die Spannung von oben nach unten abfällt. In dieser Ansicht heben wir hervor, wie der Eingang auf 0,6 V vorgespannt ist, der Ausgang jedoch 0,6 V darunter liegt, nach unten über den Spannungsabfall von D1. Nehmen wir zum Beispiel an, dass der Eingang eine positive Schwingung von 0,1 V erzeugt. Dies wird 0,7 V an der Spitze von D2 (der ganze Punkt der Vorspannung). Am unteren Ende von D2 beträgt diese Schwingung wieder 0,1 V. D2 lässt genug Strom durch, so dass R2 0,1 V hat.

Eine negative Schwingung von 0,1 V wird zu 0,5 V. Dies kann jedoch keinen Ausgang von -0,1 V am unteren Ende von D2 erzeugen; das ist Unsinn, weil es außerhalb unseres Lieferprogramms liegt. 0,5 V reichen nicht aus, um D2 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, und daher liegt der Ausgang bei 0 V und wird von R2 auf Masse gezogen, über den fast kein Strom fließt, um eine Spannung zu erzeugen.

Der Zweck von R1 besteht darin, als flexible Verbindung zu fungieren, um die Referenzspannung von 0,6 V, die ziemlich steif ist, von dem Punkt zu trennen, an dem das Signal eingespeist wird, das im Gegenteil frei um 0,6 V schwingen muss. R1 schützt auch die Diode vor den Schwankungen des Eingangsstroms. Wenn wir R1 durch einen Draht ersetzen, funktioniert es nicht, weil das Signal versuchen wird, die Spannung an der Spitze von D1 zu verschieben, dessen Kathode an Masse gepinnt ist. Die positiven Schwingungen des Eingangs werden Strom durch D1 abführen und ihn missbrauchen. Dies erzeugt eine schlechte Eingangsimpedanz, was dazu führt, dass die richtige Spannung an oder unter D2 nicht erzeugt werden kann.

Wenn andererseits R1 groß gemacht wird, nimmt die Kompensation ab, da die Referenzspannung weniger Kontrolle über die Vorspannung ausüben kann.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Um es für die Simulation schöner zu machen, lassen Sie uns den Kondensator viel größer machen: 10 uF. Dann können wir eine schöne, niedrige Frequenz wie 1000 Hz verwenden, die nicht sehr gut durch einen 100-pF-Kondensator in eine Impedanz von weniger als 1 K passt. Schließen wir auch eine Signalquelle mit einer Amplitude von 3 V an. Wenn Sie die Zeitbereichssimulation ausführen, werden Sie sehen, dass die Ausgangswellenform ziemlich genau in zwei Hälften zerhackt wird.

Ich bin an derselben Schaltung hängengeblieben, und sie hat eine Reihe von Dingen aufgedeckt, die ich nicht im Detail verstanden habe. Also werde ich versuchen, in meiner Erklärung sehr niedrig zu bleiben. Wenn Sie etwas falsch bemerken, sagen Sie es mir bitte und ich werde es korrigieren. Bitte lesen Sie auch die anderen Antworten, da sie sehr wertvolle Einblicke auf hoher Ebene bieten.

Stellen Sie zunächst sicher, dass Sie den Diodenspannungsabfall verstehen (falls nicht googeln). Dioden "verbrauchen" ~ 0,6-0,7 V Ihres Eingangs, mit anderen Worten, die Spannung an der Diode beträgt ~ 0,6 V. Da sich die Spannung in Reihe summiert, bedeutet dies, dass R3 ~ 4,3 V sieht (5 V der Stromquelle minus 0,6 V der Diode).

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Als nächstes fügen wir parallel einen zweiten Pfad hinzu. Dies kann schwierig zu verstehen sein. zB Warum sollte der Strom überhaupt den Weg mit den Widerständen nehmen? Aber am Ende ist das wieder einfach: Die Diode nimmt 0,6V auf. R1 & R2 laufen parallel zur Diode, haben also insgesamt auch 0,6V. Jetzt bilden sie einen Spannungsteiler, also bekommen wir${1\over 11}\cdot 0.6V$über R1 und${10\over 11}\cdot 0.6V$über R2.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Um die Sache noch komplizierter zu machen, gibt es eine weitere Diode zwischen R1 und R2. Sie könnten argumentieren, dass an D2 ein weiterer Abfall von 0,6 V auftritt, was bedeutet, dass an R1 und R2 jeweils 0 V anliegen, dh es fließt überhaupt kein Strom. In der Praxis lassen Dioden schon etwas Strom durch, bevor die Schwelle von 0,6 V erreicht wird. Wenn Sie die Schaltung simulieren, wird der Abfall auf nur 0,4 V bei einem Strom von 20 μA berechnet. Es fließt also ein sehr sehr kleiner Strom durch die D2-Seite, während der größte Teil des Stroms (4300 μA oder 99,5 %) durch D1 fließt. Aber wie Sie sehen können, liegt der Punkt, an dem SIG in die Schaltung eintritt, in beiden Fällen immer noch auf einem Potential von ~ 0,6 V.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Der letzte Teil des Puzzles ist nun, wie sich das Signal und 0,6 V addieren. Mit anderen Worten, wie sich diese beiden Spannungen überlagern. Ich schlage vor, nachzulesen, wie das funktioniert, wenn dies unklar ist, veranschaulicht das folgende kurze Beispiel das Konzept: Sie können den Kondensator als Spannungsquelle betrachten und die Spannungen für jede Quelle separat berechnen und später addieren.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Wenn also während der steigenden Signalflanke 0,1 V entladen werden, beträgt das Spannungspotential 0,6 V + 0,1 V, die Diode entfernt davon 0,6 V, sodass der Ausgang nur noch 0,1 V sieht (abzüglich vernachlässigbarer geringfügiger Spannungen für die Ungenauigkeiten).

Die externe 5-V-Quelle über R3 erzeugt etwa 0,6 V an der Anode von D1. Ignorieren Sie das Eingangssignal vorerst. Der 0,6-V-Pegel an D1 wird über R1 an die Anode von D2 übertragen.

Da die Kathode von D2 über den 10k-Widerstand mit 0 V verbunden ist, steht D2 kurz vor dem Leiten - hier benötigen Sie es für eine halbwegs präzise Halbwellengleichrichtung eines Signals.

Das Signal kommt an der Anode von D2 an und alle positiven Werte verstärken die Vorwärtsspannung von D2 weiter, daher wird die positive Halbwelle des Signals über R2 zum Ausgang übertragen.

Da D2 kurz davor steht, in Vorwärtsrichtung vorgespannt zu werden, reduzieren alle negativen Teile des Signals die Vorwärtsvorspannung von D2 und schalten das Gerät aus, sodass die negativen Halbwellen D2 nicht passieren.

Eine ordnungsgemäße Analyse würde eine Verzerrung (auf der Ausgangswellenform) um den Mittelpunkt des Signals herum zeigen, aber in erster Näherung hat es eine angemessene Ähnlichkeit mit einem Präzisions-Halbwellengleichrichter.

Dies ist Abbildung 1.70 auf Seite 36. Kompensation des Durchlassspannungsabfalls eines Dioden-Signalgleichrichters. Kunst der Elektronik. Dritte Edition.

Dieser Fall könnte in wenigen Schritten analysiert werden.

Zuerst . Wir sehen, dass der Strom von der +5V-Quelle über D1 nach Masse fließt. Da wir den Widerstand R3 auf den Weg dieses Stroms legen, wird die Batterie nicht mit Masse kurzgeschlossen, sondern verliert nur wenige Milliampere. Dies ist praktisch gesehen ein sehr niedriger Strom.

Zweitens . In diesem Schema werden alle Spannungen relativ zur Masse gemessen. Stellen Sie sich vor, wir haben keinen Kondensator C (kein Signal) und wir haben kein Vout (es ist nur eine Sonde). Wir nehmen einen herkömmlichen Spannungsmesser und stoßen dann eine seiner Sonden an Masse und die andere an Punkt P auf dem Schema. Welchen Wert zeigt uns unser Spannungsmesser an? Der Spannungsmesser WIRD uns sicherlich einen Wert über die Beine von R1 zeigen ! Es kann sich nicht weigern, seine Arbeit zu tun.

Was sind unsere Optionen für die Spannung am Punkt P ?

Kann diese Spannung höher als +0,6 V sein? Nein, wir haben keine Spannungsquelle um den Punkt P herum . Die einzige Quelle in diesem Schema sind +5 V, die über R3 und D1 nach Masse abfließen .

Kann diese Spannung niedriger als +0,6 V sein? Nein, D2 ist für alle positiven Spannungen gleich oder kleiner als +0,6 V gesperrt.

Die einzige verbleibende Option ist genau +0,6 V!

Abschließende Bemerkungen

Wenn wir R1 wegnehmen, wird die Vout-Sonde nichts wahrnehmen. Der Kondensator wird über D1 effektiv gegen Masse kurzgeschlossen .

Wenn wir R2 wegnehmen , wird das rechte Bein von D2 mit Ground kurzgeschlossen und Vout wird immer Ground prüfen.

Wenn wir den Strombegrenzungswiderstand R3 wegnehmen , wird die Batterie über D1 gegen Masse kurzgeschlossen . Und wird sofort entlassen.

Wenn wir D1 wegnehmen , werden die +5V der Batterie über R3 gegen Masse kurzgeschlossen . Und daher werden beide Beine von R1 (durch die gesamte obige Logik) mit Masse verbunden.

Eine andere Möglichkeit, es zu erklären

Denken Sie daran, dass Strom analog zu Wasserleitungen ist. Spannung ist der Wasserstand. Strom ist die Wassermenge, die durch ein Rohr fließt. Widerstände sind nur Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern. Kondensatoren sind wie flexible (Gummi-)Membranen, die in Wasserleitungen eingesetzt werden. Induktoren sind Wasserräder.

In unserem Fall fließt das Wasser durch das Rohr R3 zum Boden. Kurz vor D1 beträgt sein Pegel 0,6 V (Meter) über dem Boden. Der Widerstand R1 ist nur ein kleines Rohr. Es kann nicht unendlich Wasser zum Punkt P drücken, da ein Wasserstand von 0,6 V nicht ausreicht, um das Ventil D2 zu öffnen . Es kann kein Wasser von Punkt P ansaugen, da Ventil D2 geschlossen ist und kein Wasser vom Boden über Rohr R2 fließen lässt.

Das Wasser fließt einfach durch das Rohr R1 zum Punkt P . Der Wasserstand (Spannung) über Rohr R1 ist gleich. Nämlich +0,6V (Meter).

Jetzt setzen wir den Kondensator C (Membran) zurück. Denken Sie daran, dass wir der Einfachheit halber in der obigen Diskussion C entfernt und dieses Schema von der Stelle getrennt haben, an der es in der Lage sein sollte, es isoliert zu analysieren.

Jetzt verbinden wir das ganze Schema dort, wo es hin soll, und sehen mit dem Messstab Vout die Wasserausbrüche (Ripple) zwischen Ventil D2 und Rohr R2 . Der Kondensator (Membran C ) zieht kein Wasser aus Vin. Das ganze Schema "erkennt" also nur den Wasserdruck, über Vin wird tatsächlich kein Wasser gezogen. Membran C (Kondensator) blockiert es.