برق، مهندسی 4371 بازدید

مدار کلمپ یک مدار الکترونیکی است که سطح DC سیگنال ورودی را به یک سطح دلخواه تغییر می‌دهد، اما در شکل سیگنال اعمال شده به آن هیچ تغییری ایجاد نمی‌کند. در این مطلب قصد داریم به بررسی مدارات کلمپ (Clamp Circuit) دیودی یا مدارت گیرشی بپردازیم. به عبارت دیگر، مدار کلمپ، تمام سیگنال را به سمت بالا یا پایین حرکت می‌دهد تا با این کار پیک مثبت یا منفی سیگنال را در یک سطح معین تنظیم کند.

محتوای این مطلب جهت یادگیری بهتر و سریع‌تر آن، در انتهای متن به صورت ویدیویی نیز ارائه شده است.

برای مشاهده ویدیوها کلیک کنید.

مدار کلمپ

در مطالب قبلی مجله فرادرس به بررسی مدارات برش‌ دیودی (Clipper Circuits) پرداختیم. مدارت برش دیودی به منظور برش دادن قسمت مثبت یا منفی از یک شکل موج متناوب مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما یک مدار کلمپ دیودی را می‌توان یک مدار شیفت دهنده سطح (Level Shifter) در نظر گرفت. این مدار با استفاده از مقاومت، خازن و دیود به صورت عملی پیاده‌سازی می‌شود. تفاوت اصلی بین یک مدار کلیپر یا برش دیودی و مدار کلمپ در این است که مدار برش شکل موج سیگنال ورودی را تغییر می‌دهد، در حالی که مدار کلمپ فقط سطح DC سیگنال را دستخوش تغییر می‌کند. لازم به ذکر است که سطح ولتاژ DC در یک سیگنال برابر با مقدار متوسط آن سیگنال در نظر گرفته می‌شود.

در مدار کلمپ یک مولفه DC ثابت به سیگنال ورودی اضافه و یا از آن کسر می‌شود. اگر مولفه DC مثبت به سیگنال ورودی اضافه شود، آن‌گاه سیگنال به سمت بالا هل داده می‌شود. به طریق مشابه، اگر مدار کلمپ یک مولفه DC منفی را به سیگنال ورودی اضافه کند، سیگنال به سمت پایین یا به سمت منفی محور کشیده می‌شود.

اگر مدار مطابق حالت اول رفتار کند و سیگنال ورودی را به سمت بالا هل دهد، در این صورت مدار را یک کلمپ مثبت (Positive Clamper) می‌گوییم. در تصویر زیر نمایی از سیگنال‌های ورودی و خروجی یک مدار کلمپ مثبت نشان داده شده است.

سیگنال‌های ورودی و خروجی یک مدار کلمپ مثبت
سیگنال‌های ورودی و خروجی یک مدار کلمپ مثبت

از طرف دیگر، اگر مدار سیگنال ورودی را به سمت پایین یا منفی محور بکشد، مدار یک کلمپ منفی (Negative Clamper) نام دارد. در تصویر زیر نمایی از سیگنال‌های ورودی و خروجی به یک مدار کلمپ منفی نشان داده شده است.

سیگنال‌های ورودی و خروجی به یک مدار کلمپ منفی
سیگنال‌های ورودی و خروجی به یک مدار کلمپ منفی

ساختار مدار کلمپ دیودی شباهت‌های بسیاری با مدار کلیپر یا برش دیودی دارد. تنها تفاوت این دو مدار الکترونیکی در این است که مدار کلمپ شامل یک المان اضافه یعنی خازن است. خازن در این مدار به منظور فراهم کردن یک آفست DC یا سطح DC از طریق بار ذخیره شده در آن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در نتیجه می‌توان گفت یک مدار کلمپ معمولی از ترکیب خازن و دیود و مقاومت ساخته می‌شود.  البته برخی دیگر از مدارات کلمپ از یک المان باتری DC هم در مدار خود استفاده می‌کنند. مقاومت و خازن در مدار کلمپ برای حفظ کردن یک سطح DC متغیر در خروجی مدار مورد استفاده قرار می‌گیرند. مدار کلمپ را گاهی با نام‌هایی مانند مدار بازگردان DC یا DC Restorer، خازن گیرشی و یا شیفت سطح سیگنال AC نیز می‌شناسند.

انواع مدار کلمپ

در حالت کلی می‌توان مدار کلمپ را به سه گروه زیر طبقه‌بندی کرد.

  • مدار کلمپ مثبت
  • مدار کلمپ منفی
  • مدار کلمپ بایاس شده (Biased Clamper)

مدار کلمپ مثبت

مدار کلمپ مثبت از یک منبع ولتاژ $$ V _ i $$، خازن C، مقاومت بار $$ R _ L $$ و دیود D ساخته شده است. در دیاگرام مدار نشان داده شده در تصویر زیر، دیود به صورت موازی با مقاومت بار خروجی متصل شده است. بنابراین در مدار کلمپ مثبت زمانی که دیود در مود بایاس معکوس قرار داشته باشد سیگنال ورودی به بار خروجی منتقل می‌شود. در صورتی که اگر دیود در مود بایاس مستقیم قرار بگیرد، دیود سیگنال ورودی را مسدود می‌کند و مانع از رسیدن آن به بار خروجی خواهد شد.

مدار کلمپ مثبت
مدار کلمپ مثبت

بنابراین در طول نیم سیکل منفی از سیگنال AC ورودی، دیود در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و به همین دلیل هیچ سیگنالی در خروجی ظاهر نخواهد شد. در شرایطی که دیود در بایاس مستقیم قرار گرفته باشد، دیود اجازه می‌دهد جریان الکتریکی از آن عبور کند. این جریان سپس از خازن عبور می‌کند و آن را تا مقدار پیک ولتاژ ورودی یعنی $$ V _ m $$ شارژ می‌کند. خازن تا اندازه ولتاژ ورودی و در پلاریته معکوس شارژ می‌شود. چون جریان یا ولتاژ ورودی بعد از رسیدن به حالت بیشینه خود یعنی $$ V _ m $$ شروع به کاهش می‌کنند، در نتیجه خازن شارژ را تا زمانی که دیود در بایاس مستقیم قرار داشته باشد، حفظ می‌کند.

حال به بررسی نیم سیکل مثبت سیگنال ورودی می‌پردازیم. در نیم سیکل مثبت از سیگنال AC ورودی، دیود در بایاس معکوس قرار می‌گیرد و به همین دلیل است که سیگنال ورودی در خروجی ظاهر می‌شود. در حالت بایاس معکوس، دیود به جریان الکتریکی اجازه عبور نمی‌دهد و به همین دلیل است که جریان ورودی مستقیما به سمت خروجی حرکت می‌کند.

زمانی که نیم سیکل مثبت سیگنال ورودی شروع می‌شود، دیود در حالت عدم هدایت قرار می‌گیرد و شارژ ذخیره شده در خازن دشارژ می‌شود. بنابراین ولتاژی که در خروجی مدار به دست می‌آید، برابر با مجموع ولتاژ ذخیره شده در خازن ($$ V _ m $$) و مقدار ولتاژ ورودی ($$ V _ m $$) یعنی $$ 2V _ m $$ خواهد بود و تمام مقادیر ولتاژ دارای پلاریته یکسان با یکدیگر هستند. در نتیجه سیگنال به سمت بالا شیفت پیدا می‌کند.

دامنه پیک تا پیک سیگنال ورودی برابر با $$ 2V _ m $$ است. به طریق مشابه، دامنه پیک تا پیک سیگنال خروجی نیز برابر با $$ 2V _ m $$ به دست می‌آید. به همین دلیل مجموع نوسان (Swing) خروجی با مجموع نوسان ورودی در این مدار برابر است. با توجه به تمام موارد بیان شده می‌توان گفت که تفاوت اساسی بین مدار برش و مدار کلمپ در این است که مدار برش دیودی قسمت ناخواسته و غیر مطلوب از سیگنال ورودی را حذف می‌کند، در حالی که مدار کلمپ سیگنال ورودی را به سمت بالا یا پایین شیفت می‌دهد، اما تغییری در شکل موج آن ایجاد نمی‌کند.

مدار کلمپ منفی

یک مدار کلمپ منفی مانند شکل زیر را در نظر بگیرید. در طول نیم سیکل مثبت از سیگنال AC ورودی، دیود موجود در مدار در مود بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و به همین دلیل هیچ سیگنالی در خروجی مدار ظاهر نمی‌شود. در شرایط بایاس مستقیم، دیود به جریان الکتریکی اجازه می‌دهد که از آن عبور کند. این جریان سپس به خازن می‌رود و آن را تا مقدار پیک سیگنال ولتاژ ورودی با پلاریته معکوس یعنی $$ – V _ m $$ شارژ می‌کند.

هنگامی که مقدار ولتاژ یا جریان ورودی به مدار بعد از رسیدن به مقدار بیشینه خود، شروع به کاهش می‌کنند، خازن شارژ را تا زمانی که دیود در مود بایاس معکوس باقی بماند، حفظ می‌کند. در تصویر زیر نمایی از سیگنال‌های ورودی و خروجی به مدار کلمپ منفی نشان داده شده است.

مدار کلمپ منفی
مدار کلمپ منفی

در طول نیم سیکل منفی از سیگنال AC ورودی، دیود در بایاس معکوس قرار دارد و به همین دلیل سیگنال می‌تواند در خروجی مدار ظاهر شود. در شرایط بایاس معکوس، دیود به جریان الکتریکی اجازه عبور نمی‌دهد و در نتیجه جریان الکتریکی ورودی مستقیما به سمت خروجی جریان می‌یابد.

زمانی که نیم سیکل منفی شروع شود، دیود در حالت عدم رسانایی قرار می‌گیرد و بار ذخیره شده در خازن تخلیه می‌شود. بنابراین ولتاژی که در خروجی مدار به دست می‌آید، برابر با مجموع ولتاژهای ذخیره شده در خازن ($$ – V _ m $$) و ولتاژ ورودی ($$ – V _ m $$) یعنی در نهایت برابر با $$ – 2 V _ m $$ محاسبه می‌شود. توجه کنید که این مقادیر ولتاژ دارای پلاریته یکسان با یکدیگر هستند. در نتیجه، سیگنال به سمت پایین شیفت پیدا می‌کند.

مدار کلمپ بایاس شده

گاهی اوقات لازم است که یک شیفت اضافه به سطح DC سیگنال افزوده شود. در چنین شرایطی، می‌توان از مدارات کلمپ بایاس شده استفاده کرد. اصول کاری یک مدار کلمپ بایاس شده تقریبا شبیه به مدار کلمپ غیر بایاس شده است، اما تنها تفاوتی که این نوع مدار کلمپ دارد در این است که مدار کلمپ بایاس شده دارای یک المان اضافه باتری DC در مدار خود است.

مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت

اگر به مدار کلمپ یک بایاس مثبت اعمال شود، آن‌گاه مدار را یک کلمپ مثبت با بایاس مثبت می‌گوییم. مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت از یک منبع ولتاژ AC، خازن، دیود، مقاومت و باتری DC تشکیل شده است.

در طول نیم سیکل مثبت از سیگنال ورودی به مدار کلمپ، زمانی که ولتاژ منبع تغذیه ورودی کمتر از ولتاژ باتری باشد، باتری موجب می‌شود که دیود در مود بایاس مستقیم قرار بگیرد. جریان یا ولتاژ از خازن عبور می‌کند و آن را شارژ می‌کند. هنگامی که ولتاژ تغذیه ورودی از ولتاژ باتری بزرگ‌تر شود، آن‌گاه دیود عبور جریان را متوقف می‌کند و به عبارت دیگر دیود در مود بایاس معکوس قرار می‌گیرد. در تصویر زیر نمایی از یک مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت نشان داده شده است.

مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت
مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت

در طول نیم سیکل منفی از سیگنال ورودی، دیود توسط هر دو ولتاژ منبع تغذیه و نیز ولتاژ باتری در مود بایاس مستقیم قرار می‌گیرد. بنابراین دیود به جریان الکتریکی اجازه عبور می‌دهد. این جریان از خازن عبور و آن را شارژ می‌کند.

مدار کلمپ مثبت با بایاس منفی

در مدار کلمپ مثبت با بایاس منفی، در طول نیم سیکل منفی از سیگنال ورودی و زمانی که ولتاژ تغذیه ورودی کمتر از ولتاژ باتری مدار باشد، ولتاژ باتری دیود را در مود بایاس معکوس قرار خواهد داد. در نتیجه، سیگنال در خروجی ظاهر می‌شود.

زمانی که ولتاژ تغذیه ورودی بزرگ‌تر از ولتاژ باتری شود، دیود توسط ولتاژ تغذیه ورودی مدار در مود بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و به همین دلیل، دیود اجازه می‌دهد جریان الکتریکی از آن عبور کند. این جریان سپس از خازن عبور می‌کند و آن را شارژ می‌کند. در تصویر زیر نمایی از یک مدار کلمپ مثبت با بایاس منفی نشان داده شده است.

مدار کلمپ مثبت با بایاس منفی
مدار کلمپ مثبت با بایاس منفی

در طول نیم سیکل مثبت از سیگنال ورودی، دیود توسط هر دو ولتاژ تغذیه ورودی و نیز ولتاژ باتری در مود بایاس معکوس قرار می‌گیرد. در نتیجه سیگنال می‌تواند در خروجی مدار ظاهر شود. این سیگنال خروجی برابر با مجموع دو ولتاژ ورودی و ولتاژ خازن مدار است.

مدار کلمپ منفی با بایاس مثبت

در این قسمت به بررسی عملکرد مدار کلمپ منفی با بایاس مثبت می‌پردازیم. در طول نیم سیکل مثبت از سیگنال ورودی به مدار، زمانی که ولتاژ تغذیه ورودی کمتر از مقدار ولتاژ باتری باشد، ولتاژ باتری دیود را در مود بایاس معکوس قرار می‌دهد. اما زمانی که ولتاژ تغذیه ورودی مدار از ولتاژ باتری بزرگ‌تر شود، دیود توسط ولتاژ تغذیه ورودی در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و به جریان الکتریکی اجازه عبور می‌دهد. این جریان از خازن عبور می‌کند و آن را شارژ می‌کند. در تصویر زیر نمایی از یک مدار کلمپ منفی با بایاس مثبت نشان داده شده است.

مدار کلمپ منفی با بایاس مثبت
مدار کلمپ منفی با بایاس مثبت

در طول نیم سیکل منفی از سیگنال ورودی به مدار، دیود توسط دو ولتاژ تغذیه ورودی و نیز ولتاژ باتری در مود بایاس معکوس قرار می‌گیرد و در نتیجه سیگنال در خروجی ظاهر می‌شود.

مدار کلمپ منفی با بایاس منفی

در این قسمت به بررسی مدار کلمپ منفی با بایاس منفی می‌پردازیم. در طول نیم سیکل مثبت از سیگنال ورودی به مدار، دیود توسط هر دو ولتاژ تغذیه ورودی و نیز ولتاژ باتری در مود بایاس مستقیم قرار می‌گیرد. در نتیجه، جریان در خازن جاری می‌شود و آن را شارژ می‌کند. در تصویر زیر نمایی از یک مدار کلمپ منفی با بایاس منفی نشان داده شده است.

مدار کلمپ منفی با بایاس منفی
مدار کلمپ منفی با بایاس منفی

در طول نیم سیکل منفی از سیگنال ورودی، زمانی که ولتاژ تغذیه مدار از ولتاژ باتری کمتر باشد، ولتاژ باتری دیود را در مود بایاس مستقیم قرار می‌دهد. زمانی که ولتاژ ورودی تغذیه از ولتاژ باتری بزرگ‌تر شود، دیود توسط ولتاژ تغذیه ورودی در مود بایاس معکوس قرار می‌گیرد و در نتیجه دلیل سیگنال در خروجی ظاهر می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، توصیه می‌شود حتما از آموزش‌های زیر نیز استفاده کنید:

^^

فیلم‌ های آموزش مدار کلمپ — از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

فیلم آموزشی مدار کلمپ مثبت

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی مدار کلمپ منفی

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی مدارات کلمپ مثبت با بایاس

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی مدارات کلمپ منفی با بایاس

دانلود ویدیو
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مرضیه آقایی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه کنترل پیش‌بین موتورهای الکتریکی بوده و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 18 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

3 نظر در “مدار کلمپ — از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *