鴟鴞的獵場: 2024

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。
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。

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

上方紅圈處為電容C 通過電阻R 放電，有一個較為平緩的壓降

找到一個在示波器上顯示波形的影片[3]：

這截圖為一個下鉗位電路的波形，黃色線為輸出信號，最下方的黃色線是疊加電壓輸出的波形，同樣有個平緩的壓降。

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：

(下一篇模擬與實作 (待續))

參考資料：

鴟鴞的獵場