Klemmschaltung (Clamper)

Ein Wechselsignal mit 5 V Spitze-Spitze pendelt um 0 V, von −2,5 V bis +2,5 V. Ein 5-V-Logikeingang oder ein ADC kann damit wenig anfangen: Die negative Hälfte ist für ihn verboten, die positive nutzt nur den halben Bereich. Die Klemmschaltung schiebt das ganze Signal nach oben, bis seine untere Spitze bei 0 V liegt. Die Form bleibt dabei erhalten – anders als beim Diodenbegrenzer, der Spitzen abschneidet.

Dazu genügen ein Kondensator in Reihe und eine Diode nach Masse. Die Schaltung heißt auch Pegelklemme oder nach ihrem Erfinder Villard-Schaltung. Sie steckt als erste Stufe in jedem Spannungsverdoppler nach Greinacher und in jeder Hochspannungskaskade. Im Fernseher hielt sie früher den Schwarzwert des Videosignals fest, in Gate-Treibern mit Übertrager stellt sie die Gleichspannung am MOSFET-Gate wieder her.

Schaltplan

• C1, 1 μF: Koppelkondensator. Er lädt sich auf die Verschiebespannung auf und hält sie wie eine kleine Batterie zwischen Ein- und Ausgang. Ein Folienkondensator oder ein X7R-Keramikkondensator mit 25 V, kein Elko.
• D1, BAT85: Schottky-Diode. Sie leitet, sobald der Ausgang unter Masse fällt, und lädt C1 nach. Kathode am Ausgang.
• R1, 100 kΩ: gibt dem Ausgang einen definierten Gleichstromweg und entlädt C1 langsam, damit die Schaltung einer kleiner werdenden Amplitude folgen kann. Oft ist es einfach der Eingangswiderstand der Folgestufe.

So funktioniert die Schaltung

Erste negative Halbwelle. C1 ist leer, der Ausgang folgt dem Eingang nach unten. Bei etwa −0,2 V leitet D1 und lädt C1 über die Quelle auf. Danach liegt über C1 die Spannung Û − U_F, Eingangsseite negativ.

Ab dann. C1 entlädt sich kaum, weil nur R1 an ihm zieht. Er verschiebt den Eingang um rund 2,3 V nach oben: Aus −2,5 V wird −0,2 V, aus +2,5 V wird +4,8 V. D1 sperrt, außer in den unteren Spitzen, wo sie die kleine Ladung nachliefert, die R1 in der Zwischenzeit abgezogen hat.

Ohne Diode bliebe nur ein Koppelkondensator. Er trennt den Gleichanteil ab, und das Signal stellt sich so ein, dass sein Mittelwert null ist. Bei einem symmetrischen Sinus sieht das gleich aus wie vorher, bei Pulsen mit kleinem Tastgrad dagegen rutscht das ganze Signal nach unten. Genau das verhindert die Klemmschaltung: Sie hält die Spitze fest, nicht den Mittelwert.

Dimensionierung

Ziel: Ein Rechteck- oder Sinussignal mit 5 Vss und 100 Hz bis 10 kHz soll an einen 5-V-Eingang, der höchstens −0,5 V verträgt.

1. Diode. Ein 1N4148 würde den Ausgang bei −0,4 bis −0,5 V halten – genau an der Grenze, die viele Mikrocontroller verkraften. Die Schottky-Diode BAT85 bleibt bei den kleinen Strömen hier unter 0,2 V. Sie sperrt 30 V, mehr als genug für 5 Vss.

2. Zeitkonstante. C1 entlädt sich über R1, während das Signal oben ist. Die Ausgangsspannung sinkt dabei um die Dachschräge:

Mit R₁ = 100 kΩ, C₁ = 1 μF, also τ = 100 ms, und dem schlechtesten Fall von 100 Hz mit 50 % Tastgrad (t_oben = 5 ms):

Das sind 5 %, für einen Logikeingang unkritisch. Bei 1 kHz und 25 % Tastgrad wie im Diagramm sind es nur 12 mV.

3. Nicht zu groß. Wird die Amplitude plötzlich kleiner, muss C1 sich über R1 auf die neue Verschiebung entladen, und das dauert etwa 3 · τ = 0,3 s. Bis dahin liegt die untere Spitze über 0 V. Eine viel größere Zeitkonstante macht die Schaltung träge. Faustregel: τ etwa 10- bis 100-mal so lang wie die längste Periode.

4. Strom durch die Diode. Im Mittel muss D1 nur ersetzen, was R1 abzieht: 4,8 V · 0,25 / 100 kΩ ≈ 12 μA bei 1 kHz und 25 % Tastgrad. Die Flussspannung der BAT85 liegt dabei unter 0,2 V. Beim Einschalten lädt sie C1 einmalig mit einem kurzen Stromstoß, begrenzt durch den Innenwiderstand der Quelle.

Bauteilliste

Varianten

Negative Klemme. Drehst du D1 um, wird die obere Spitze auf etwa +0,2 V festgehalten und das Signal nach unten verschoben. So erzeugt eine Ladungspumpe eine negative Hilfsspannung.

Klemme auf eine Referenzspannung. Liegt die Anode von D1 nicht an Masse, sondern an einer festen Spannung, etwa 1,0 V aus einem Spannungsteiler mit Abblockkondensator, dann sitzt die untere Spitze bei 1,0 V minus Flussspannung. So passt man ein Signal an die Mitte eines ADC-Bereichs an.

Klemme plus Begrenzer. Ist die Amplitude nicht sicher kleiner als 5 Vss, gehört eine zweite Diode vom Ausgang an +5 V dazu. Sie schneidet ab, was nach dem Verschieben über 5 V hinausginge. Mehr unter Eingangsschutz gegen ESD und Überspannung.

Verdoppler. Hängst du an den Ausgang einen Spitzenwertgleichrichter aus Diode und Kondensator, bekommst du eine Gleichspannung von fast 2 · Û. Das ist der Greinacher-Spannungsverdoppler.

Genaue Klemmung. Mit einem Operationsverstärker, der die Flussspannung ausregelt, klemmt man auf wenige Millivolt genau, etwa bei der Schwarzwertklemmung in der Videotechnik.

Typische Fehler

• Diode falsch herum: Dann wird das Signal nach unten statt nach oben verschoben und der Eingang bekommt fast −5 V ab. Vor dem Anschließen mit dem Oszilloskop prüfen – im DC-Modus, denn der AC-Modus zentriert das Signal wieder und zeigt die Verschiebung nicht.
• R1 fehlt und die Folgestufe ist sehr hochohmig: Die Klemme funktioniert, folgt aber einer kleiner werdenden Amplitude kaum noch. Mit einem CMOS-Eingang allein kann die Verschiebung Minuten stehen bleiben.
• Zeitkonstante zu klein: Die Dachschräge wird groß; aus einem Rechteck wird eine Folge abfallender Rampen. Faustregel prüfen: τ ≥ 10 · T.
• Elko als C1: Bei kleinen Spannungen arbeitet ein Elko mit wechselnder Polarität schlecht und hat Leckstrom. Folie oder Keramik nehmen.
• Signal mit Gleichanteil: Ein vorhandener Gleichanteil wird mit abgetrennt. Das ist gewollt – aber wer die Klemmschaltung hinter eine Quelle mit 12 V Gleichanteil setzt, braucht einen Kondensator mit passender Spannungsfestigkeit.

Selbsttest