AVR door middel van clamping
Een interessant ontwerp uit de geavanceerde elektronische regeltechniek.
Een AVR-systeem dient om wisselspanningssignalen tot een bepaalde grootte te versterken en die grootte te handhaven onafhankelijk van de ingangssignaalgrootte en met behoud van de vorm van het signaal. Toepassing vindt plaats in de video-techniek en de instrumentele elektronika.
Alvorens in te gaan op de gehele schakeling zullen eerst twee principes worden behandeld die in dit AVRsysteem zijn toegepast nl. de clamping en de long-tailed-pair volume regelaar.
Clamping
Hoewel veelvuldig toegepast in kommerciele en professionele apparaten is clamping een bij de amateur minder bekend principe. Het gaat erom een wisselspanning zodanig te behandelen dat de, positieve of negatieve signaal,,pieken op een bepaald gelijkspanningsniveau komen te liggen (bv. op aardniveau), terwijl de rest van het signaal normaal zijn vorm behoudt. Aan de hand van figuur 1 wordt de werking van een eenvoudige clamp-schakeling verklaard.
Figuur 1. Eenvoudige clamp-schakeling.
Als op de ingang een wisselspanning staat, dan zuilen in eerste instantie de negatieve pieken de diode doen geleiden, hierdoor wordt kondensator C opgeladen en wel met de aangegeven polariteit. Het gevolg is dat het geiijkspanningsniveau aan de uitgang zodanig verschuift dat de diode bij iedere negatieve piek juist voldoende open gaat om het ladingverlies van C t.g.v. de belasting en de eigen lek op te vangen.
De signaalgrootte blijft bij benadering dezelfde alleen wordt bij het oorspronkelijke signaal een zodanige gelijkspanning opgeteld dat dit "op de 0 komt te staan". De Pout die ontstaat bij de bewerking van het signaal door deze schakeling wordt veroorzaakt door de diodespanning Vd.
Door de diode om te draaien ontstaat een clamp voor positieve pieken. Het signaal aan de uitgang komt dan "onder aan de nul te hanged'.
Clamp-schakeling met Op-Amp
Een schakeling die beter voldoet kan worden gerealiseerd met behulp van een operationele versterker (bv. 709). Uit het schema (fig. 2) komt duidelijk naar voren dat de op-amp via twee wegen is teruggekoppeld. Allereerst is een gelijkspanningstegenkoppeling aanwezig via Di, C en R1, terwiji wisselspanningstegenkoppeling plaatsvindt via D2 en R2.
Figuur 2. Clamp-schakeling met op-amp.
Veronderstel dat aan de plus-ingang van de op-amp een wisselspanning staat. Tijdens een positieve piek zal D2 geleiden en de schakeling zal gewoon als versterker werken met versterkingsfaktor (R1+R2)/ R1. Tijdens een negatieve piek gaat D2 dicht met als gevoig het wegvallen van de tegenkoppeling via R2. Op dat moment is de versterking zeer groot en dit resulteert in een zeer snel negatief gaan van de uitgang van de op-amp. D1 treedt in geleiding en laadt kondensator C op volgens de aangegeven polariteit. Deze kondensator (een grote elko) fungeert als gelijkspanningsbron die de op-amp op de min-ingang scheef trekt. Dit scheeftrekken gaat zover tot de uitgangsspanning van de op-amp bij de negatieve signaalpieken nog juist voldoende is om via D1 de kondensator C op spanning te houden en een stabiele toestand intreedt. Zou nu het ingangssignaal by. kleiner worden, dan zijn de negatieve signaalpieken niet meer in staat om D1 te laten geleiden. De kondensator verliest dan aan spanning en de op-amp komt minder scheef te staan totdat het uitgangssignaal van de op-amp weer voldoende negatief kan komen om D1 open te sturen en een nieuwe stabiele toestand wordt bereikt.
Aangezien de op-amp vanwege zijn grote versterking maar heel weinig gelijkspanning op de -ingang nodig heeft om aan de uitgang al een aanzienlijke gelijkspanningsverschuiving te veroorzaken is de spanning op kondensator C zeer gering (enkele mV).
Tijdens het overschakelen van de ene op de andere diode in een negatieve signaalpiek zwaait de uitgang van de op-amp over twee diodespanningen (ca. 1,2 Volt). In dit gebied is de op-amp niet tegengekoppeld en van de ingangsspanning wordt dan voor de clamping 1,2/A. Volt gebruikt (A0 is de openlus-versterking).
In de praktijk is dit bij een 709 (A0 ≈ 40000) gelijk aan: 1,2/40000 ≈ 0,03 mV, te verwaarlozen klein dus.
Een ingangsspanning van 3 mV top-top kan men dus nog goed met deze schakeling "clampen".
De long-tailed-pair volume regelaar
Bij twee identieke transistoren, met de emitters aan elkaar, (long-tailed-pair, zie fig. 3) is de stroomverdeling in de kollektoren rechtstreeks afhankelijk van de basis-verschilspanning: Vb = Vb2 - Vb1. In het normale stroomgebied van 1 µA tot 10 mA geldt de regel dat bij een variatie van het basisspanningsverschil Vb met 59 mV de verhouding van de kollektorwisselstromen een faktor 10 toe of afneemt. Dit is het gevolg van de eksponentiele stroom-spanningtkarakteristiek van de transistor (zie tabel 1)
Figuur 3. Long-tailed-pair schakeling.
| voor Vb = | is ic2 /ic1 = |
|---|---|
| 3 × 59 = 177 mV | 1000 |
| 2 × 59 = 118 mV | 100 |
| 59 mV | 10 |
| 0 mV | 1 |
| -59 mV | 0,1 |
| -118 mV | 0,01 |
Als de schakeling in de emitters wordt gestuurd (ic) en het uitgangssignaal wordt afgenomen over Rc2 dan kan men door middel van Vb de verhouding tussen ic1 en ic2 regelen. De praktische schakeling ziet er uit zoals in figuur 4 is weergegeven. Alleen de ingangsspanning van de op-amp bepaalt hier ic1. De verhouding ic2/ ic1 werd bepaald door Vb, dit betekent dus dat de versterking kan worden geregeld met de spanning Vb.
Figuur 4. Praktische schakeling van de long-tailed-pair volume regelaar.
AVR-systeem
Door een long-tailed-pair op listige wijze te flankeren met twee clampingschakelingen is een volledig universeel AVR-systeem ontstaan (zie blokschema fig. 5 en praktisch schema fig. 6).
Figuur 5. Blokschema van een AVR-systeem.
Figuur 6. Praktisch schema van het AVR-systeem.
| R1 | 10 kΩ |
| R2,R3 | 22 kΩ |
| R4 | 220 Ω |
| R5,R6,R9 | 4,7 kΩ |
| R7,R8 | 100 kΩ |
| C1,C2 | 200 µF/10 V |
| C3 | 1000 µF/16 V |
| D1,D2,D3 | willekeurig type |
| Op-amp I en II | µL 709 |
| LTP | BCY87 |
Aan de basis van de linker transistor wordt een vaste negatieve spanning (referentiespanning) van 3 a 4 Volt gelegd terwijl de andere basis wordt gestuurd met een regelspanning waarvan de grootte direkt afhangt van de amplitude van het uitgangssignaal. Aldus is de regellus voor het regelen van de signaalgrootte aan de uitgang ontstaan.
De ingang is wisselspanningsgekoppeld. Vanaf de linker kollektorweerstand van 220 Ω wordt de eerste opamp tegengekoppeld. Deze op-amp doet dienst als clamping-schakeling. De linker transistor van het long-tailed-pair doet tevens dienst als diode die spert tijdens een negatieve piek (zie overeenkomst met fig. 2). De signalen aan de kollektorweerstanden hangen dankzij de clamping "onder aan de 0".
De tweede op-amp is eveneens geschakeld als clamping-schakeling met een versterking van ca. 20×. De regelspanning voor de volumeregelaar wordt afgenomen van de elko die is opgenomen in de gelijkspanningstegenkoppeling.
Dat de bases van het long-tailed-pair op enkele Volts negatief komen te staan is geen bezwaar. De op-amp wordt eenvoudig wat meer scheefgetrokken. De uitgangsspanning komt nu door de laatste clampschakeling "boven op de 0" te staan.
Door een juiste dimensionering van de tweede clampschakeling is de signaalzwaai aan de uitgang nagenoeg yen groot als de negatieve referentiespanning Vref.
Voor een nauwkeurige beschouwing van de werking zij verwezen naar de signaalspanningsvormen in figuur 7.
Figuur 7. Werking van het AVR-systiem aan de hand van signaalvormen van de spanning.
De kompensatie van de linker 709 (op-amp I) moet de zwaarste zijn (volledig tegengekoppeld), de frekwentiekompensatie van op-amp II kan zijn als voor een 10x versterker (zie fig. 8).
Figuur 8. Frekwentiekompensatieschakeling van de op-amp 709
R.G. van Vliet.