Klemmkondensator

Mit Klemmschaltung wird in der Elektronik eine Anordnung bezeichnet, die eine signalführende oder leistungsübertragende Leitung unter definierten Bedingungen mit einer ein Bezugspotential führenden Leitung verbindet. Die Voraussetzung für die Klemmung ist, dass der Signalverlauf auf der Leitung Bereiche enthält, deren Verlauf vorhersagbar ist oder als bekannt gilt und in denen der Verzicht auf die Kenntnis des konkreten Verlaufs nicht als Informationsverlust betrachtet wird. ^[1]

Grundprinzip der Klemmung mit Klemmkondensator und gesteuertem Schalter

Die vorstehende Definition gilt allgemein und somit auch für die Klemmschaltung der Stromversorgung, die bei der Überschreitung eines Auslösepegels zur dauerhaften Abschaltung der Stromversorgung führt.

Die Gittergleichrichtung kann als Klemmung interpretiert werden, bei der die Gitter-Kathodenstrecke einer Elektronenröhre als Schalter dient. Dabei wird erwartet, dass das Trägersignal ein weiteres Maximum durchläuft. Der konkrete Signalverlauf während des Stromflusswinkels wird in der Regel vernachlässigt.

Die Klemmschaltung im Bereich der analogen Verarbeitung von Fernsehsignalen ist eine Schaltungsanordnung, bei der der Gleichanteil des Signals an einen gewünschten Arbeitspunkt dadurch angepasst wird, dass die Spannung an einem im Signalweg liegenden Kondensator, dem Klemmkondensator, durch Umladevorgänge über einen elektronischen Schalter verändert wird. Jedoch ist zu beachten, dass eine zu häufige und wiederholte Klemmung im Signalweg zu Störungen führen kann.

Der Unterschied zwischen der Anwendung der Klemmschaltung in der Gittergleichrichtung und der Anwendung in der Fernsehtechnik ist ausschließlich ideell: Bei der Gittergleichrichtung ist das Signal am Klemmkondensator das NF-Signal (also das Nutzsignal), während dasselbe Signal bei der Anwendung in der Fernsehtechnik als Gleichanteil betrachtet wird, der lediglich der Verschiebung des Arbeitspunktes dient. Man sagt zum Beispiel: Die hintere Schwarzschulter des Signals wird auf einen Pegel von null Volt geklemmt.

Die Wirkung der Klemmung kann im Bereich der zulässigen Aussteuerung mit den Mitteln der digitalen Signalverarbeitung mit erweiterter Funktionalität nachgebildet werden.

Der Gleichanteil

Der Gleichanteil einer Größe kann unter Umständen nicht über einen Verstärker oder eine Übertragungsstrecke übermittelt werden. Die Ursache kann in verwendeten Koppelkondensatoren liegen, welche einen Gleichanteil nicht passieren lassen und einen Hochpass im Signalweg darstellen. Aber auch bei sogenannter Gleichstromkopplung wird das Signal multiplikativ auf einen Energiefluss abgebildet und in seinem Gleichanteil so verändert, dass eine stabile Zuordnung des Gleichanteils am Ausgang zu dem am Eingang schwierig ist.

Bei einfachen Fernsehempfängern wird die Gleichstromkopplung zwischen dem als Einweggleichrichter ausgeführten Demodulator und der Bildröhre angewendet. Der wirksame Gleichanteil wird durch eine zusätzlich zugefügte Gleichspannung bestimmt, die mit Hilfe eines mit Helligkeit bezeichneten Bedienelementes eingestellt wird. Dies ist die übliche Vorgehensweise, wenn der Geräteentwickler einen dauerhaft stabilen Betrieb ohne Nachstellung nicht gewährleisten kann.

Der Begriff Gleichanteil eines Signals ist eine Modellvorstellung, die sich auf den eingeschwungenen Zustand bezieht. Dieser Gleichanteil ist keine sich laufend ändernde Größe; er wird also durch das Ausgangssignal eines Tiefpasses nur angenähert. Koppelkondensatoren bilden zusammen mit den den Arbeitspunkt bestimmenden Widerständen einen solchen Tiefpass und sind so in den Signalweg geschaltet, dass der an ihnen gebildete, angenäherte Wert vom Signal subtrahiert wird.

Soweit beim Fernsehen nicht ein Testsignal mit bekanntem Signalverlauf übertragen wird, kann der laufende Gleichanteil nicht vorhergesagt werden. Man kann deshalb auch nicht von einem eingeschwungenen Zustand sprechen. Im Gegenteil, die relativ zahlreichen Koppelkondensatoren führen zu einem ständigen, dem Signal überlagerten Einschwingvorgang.

Die Klemmung ist also der Versuch, den recht komplexen Verlauf des Einschwingvorgangs durch eine Treppenfunktion so nachzubilden, dass der Gleichanteil bis auf eine unbekannt bleibende Konstante wiederhergestellt wird.

In der zeitlichen Nähe zum Bezugspegel am Zeilenanfang gelingt das recht gut. Der kontinuierliche Verlauf des Einschwingvorgangs überlagert sich aber dem Signal während der aktiven Zeilendauer und führt am Ende der Zeile zu den größten Abweichungen.

Das Fernsehen gilt als 1-%-System. Das bedeutet für die Klemmung, dass die Summe der nach den Klemmungen verbleibenden Fehler am Zeilenende nicht größer sein soll, als 1 % des auf den Schwarzpegel bezogenen Weißpegels.

Die jeweilige Stufenhöhe der Treppenfunktion ist für nachfolgende Koppelkondensatoren ein Sprungsignal, das einen weiteren Einschwingvorgang auslöst. Unter ungünstigen Umständen führt dies zur Instabilität des Gesamtsystems.

Wenn der elektronische Schalter den Strom nur in einer Richtung leitet (nur eine Diode)^[2], dann wird der in der anderen Richtung gegebenenfalls erforderliche Strom durch einen ständigen, weitgehend konstanten Strom ersetzt. In diesem Fall haben die Stufen des Treppensignals eine Schräge. Auch eine mangelhafte Kompensation des Basisstroms eines nachfolgenden Emitterfolgers führt zu derartigen Schrägen.

Wenn der elektronische Schalter den Strom in beiden Richtungen leiten soll^[3], dann ist es möglich, dass sich die wirksamen Schwellspannungen unterscheiden und zu einer Unsicherheit des Klemmpotentials führen. Die Spannungsversätze an nur einer Diode und an dem nachgeschalteten Emitterfolger gelten als weitgehend konstant und können durch die Wahl des Bezugspotentials kompensiert werden.

Die getastete Regelung

BAS-Signal moduliert

Die getastete Regelung ist keine Klemmung, hat aber eine vergleichbare Wirkung. Das nebenstehende Bild stellt ein nach Art des Standarddetektors gleichgerichtetes Fernsehsignal mit Negativmodulation dar (im Bild werden abweichende Begriffe verwendet).^[1]

Der Synchronpegel (100 %) wird mit einem Sollwert verglichen und mittels der dadurch gewonnenen Regelspannung (weitgehend) konstant gehalten. Dazu ist die Verstärkung des ZF-Verstärkers steuerbar. Die Tastung bewirkt, dass der Bildinhalt keinen Einfluss auf die Regelung hat.

Weil der Austastpegel bei 73 % und der Weißpegel bei 10 % liegen und weil der Standard seit der Einführung des Farbfernsehens keine Abhebung des Schwarzpegels vom Austastpegel vorschreibt, sind durch die Regelung alle Pegel unabhängig vom Bildinhalt gegeben.

Das Ergebnis ist mit der Klemmung vergleichbar, vermeidet aber den Nachteil der Klemmung: Die Spannung am Ladekondensator der Regelung liegt im Gegensatz zu der am Klemmkondensator neben dem Signalweg.

Das Umfeld der Klemmung

Der Umladevorgang des Klemmkondensators soll innerhalb der Dauer des Klemmimpulses abgeschlossen sein. Dazu muss die Signalquelle einen geringen Innenwiderstand haben. Bei studiotechnischer Anwendung befindet sich deshalb vor der Klemmschaltung ein Emitterfolger.

Der Klemmkondensator soll in der übrigen Zeit möglichst nicht umgeladen werden. Dazu muss der Lastwiderstand hochohmig sein. Auch das wird bei studiotechnischer Anwendung durch einen Emitterfolger erreicht. Emitterfolger haben insbesondere bei leicht kapazitiver Belastung die Eigenschaft, dass der dynamische Eingangswiderstand leicht negativ ist. Deshalb befindet sich in der Regel zwischen dem Klemmkondensator und der Basis des Emitterfolgers ein Widerstand in der Größenordnung von 100 Ω, der eine Selbsterregung verhindert.

Gewöhnliche Videoverteilerverstärker und Kabelentzerrer enthalten keine Klemmung, sondern nur Koppelkondensatoren. Der Aussteuerbereich muss um die Schwankungsbreite des Mittelwertes größer sein, als bei dem Nennpegel von 1 V zunächst zu vermuten wäre. Vor der Mischung (Überblendung) und vor der Modulation des Senders ist jedoch eine Klemmung erforderlich.

Die Festlegung des Schwarzwertes in der Kamera ist keine Klemmung, sondern liegt entweder in den Händen des Kamaraingenieurs oder wird von einer Regelschaltung anhand des Bildinhaltes bewirkt. Die Klemmung wird auch zur Beseitigung von Brummstörungen eingesetzt.

Der SECAM-Modulator

Im SECAM-Coder wird der Farbträger von einem astabilen Mulivibrator erzeugt. Dabei handelt es sich um relativ instabile Kippvorgänge. Die Ansteuerung erfolgt durch einen Strom, der sich aus sequentiellen Folge der Farbdifferenzsignale und einem Gleichanteil zusammensetzt. Um eine ausreichende Stabilität der Frequenz zu erreichen, wird diese zu Beginn einer jeden Zeile über eine PLL auf die Frequenz eines Quarzoszillators mit der entsprechenden Ruhefrequenz gezwungen. Dazu wird über die Spannung an einem Kondensator der Gleichanteil des steuernden Stromes angepasst. In diesem Fall könnte man an eine Klemmung der Frequenz denken; besser geeignet ist der Vergleich mit der getasteten Regelung.

Die Steuerung des elektronischen Schalters

Die Steuerung des elektronischen Schalters kann unmittelbar durch das Signal erfolgen, wenn die Klemmdauer mit der Dauer eines Extremwertes übereinstimmt. Bei Fernsehsignalen werden die Ausgangssignale eines Amplitudensiebs oder die im Studio verteilten Impulssignale zur Fremdsteuerung verwendet. Dabei können Anfang und Ende des Klemmimpulses mit dem Referenzträger synchronisiert werden.

Das Abtastverhältnis

Die Abtastung des Signals erfolgt mit Zeilenfrequenz, die Einschwingvorgänge laufen sehr langsam ab und sind deshalb sehr tiefen Frequenzen zuzuordnen. Die Klemmung ist somit ein praktisches Beispiel dafür, dass die Rekonstruktion eines zeitdiskret abgetasteten Signals durchaus nicht in jedem Fall als identisch zu dem Signal betrachtet werden kann.

Fußnoten und Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Jürgen Heinrich, Rainer Ludwig: Fachkunde für Funkmechaniker - Teil: Fernsehen. 2. durchgesehene Auflage Auflage. VEB Verlag Technik, Berlin 1967. 
2. ↑ Waveform clamping with Schottky Diodes. In: Application Bulletin. Nr. 15 (Hewlett-Packard). 
3. ↑ AEG-Telefunken (Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft): Telefunken-Laborbuch für Entwicklung, Werkstatt und Service. Band V, Franzis Verlag, München 1971, S. 128.