最近學到鉗位電路(clamper circuit),所以想要了解「在設計實務時,如何決定鉗位電路中的R與C」,以下是我上網搜尋資料消化後的心得。我本身是初學者,若諸位先進發現有錯,還望不吝指正。
首先,這個電阻R與電容C組合,串聯到某個電壓,進行充電或放電時,會需要一個固定比例的時間,這個時間被稱為時間常數 τ:
τ = R*C
τ 與截止頻率 fc 有這樣的關係:
而鉗位電路的RC組合是一種「高通濾波器」— 當信號頻率高於這個截止頻率時,信號得以通過;當信號頻率低於這個截止頻率時,信號輸出將被大幅衰減[1]
也就是說,若信號頻率小於截止頻率,造成的情況是 電容C 已經放完電了,但信號還沒結束,需要它繼續放電!
舉個例子,例如,若需要處理的信號頻率為 60 Hz,我們可以設定截止頻率 fc 為 50 Hz,可以得到:
RC = 1 / (50 * 2 π)
也就是說,RC成為一個定值。
那麼,該如何決定 R 與 C 孰大孰小呢?
問了 AI,它給我以下的答案:
選擇不同的電阻 ( R ) 和電容 ( C ) 值會對二極體的性能產生不同的影響。以下是兩種選擇的差異:
選擇1:C小一點,R大一點:
- 優點:
- 較大的電阻 ( R ) 會限制電流,減少二極體的功耗和發熱。
- 較小的電容 ( C ) 會使電路的響應速度更快,適合高頻應用。
- 缺點:
- 較大的電阻 ( R ) 可能會導致電壓降增加,影響電路的穩定性。
- 較小的電容 ( C ) 可能會導致電容儲存的電荷較少,影響電路的平滑度。
- 優點:
選擇2:C大一點,R小一點:
- 優點:
- 較大的電容 ( C ) 會儲存更多的電荷,提供更穩定的輸出。
- 較小的電阻 ( R ) 會減少電壓降,提升電路的穩定性。
- 缺點:
- 較小的電阻 ( R ) 會增加電流,可能導致二極體的功耗和發熱增加。
- 較大的電容 ( C ) 會使電路的響應速度變慢,不適合高頻應用。
- 優點:
總結來說,選擇1適合高頻應用,因為它能提供更快的響應速度;而選擇2適合需要穩定輸出的應用,因為它能提供更穩定的電壓。具體選擇應根據應用需求和二極體的特性來決定。
50 Hz 不算是高頻應用,可以選擇較大的電容,例如 1uF,計算得到:
R = 1 / (50 * 2 π) ÷ 10 ⁻⁶ ≅ 3 kΩ
另外,也有人提到直接由信號頻率算出 R C 的做法:
60 Hz 換算為 週期時間 為 16.7 ms
RC 值應小於一個數量級,用 1.6 ms 為佳
若使用電容 1uF,則
R = 0.0016 ÷ 10 ⁻⁶ ≅ 1.6 kΩ
以上計算推論尚待實作驗證,接著來看一下預期得到的波形。
據說[2],產生出來的波形不會是理想波型,而受到 R C 的影響(紅圈處):
下方紅圈處為電流通過二極體,直接對 C 充電,有一個 ∆Vc 的壓降
但,大多數找到的實作影片,出現在示波器上的波形都幾近完美波形,反而少看到平緩壓降與尖波。
因為示波器精度不足?
或者是RC造成的壓降與尖波,若是設計得當,就不明顯?
另外,在網上搜尋之後,發現討論這個 R 與 C 設計問題的並不多,我找到比較有參考價值的是這篇:
In designing clamping circuits, what should be the values of R and C?
(下一篇 模擬與實作 (待續))
參考資料:
[1] 截止頻率(wiki)
[2] 高中電子學_二極體之應用電路_上箝位電路 1_黃俊程
[3] Using Diodes as Clippers or Clampers | Intermediate Electronics