مدار کلمپر برای افزودن یک مقدار DC ثابت به سیگنال AC استفاده می شود. این مدار شکل سیگنال را تحریف نمی کند بلکه فقط سطح DC آن را تغییر می‌دهد. . به این مدار level shifter نیز گفته می‌شود. این مدارات به طور گسترده در تجهیزات تست و برخی سنسور ها استفاده می‌شوند. در این مقاله انواع مدار کلمپر و نحوه عملکرد آنها با شکل موج ورودی-خروجی توضیح داده شده است.
نکته‌ی قابل توجه این است که در این مدار باید زمان دشارژ خازن آرام باشد. در واقع ثابت زمانی باید بزرگتر از نصف پریود سیگنال ورودی باشد.
دو مدل مدار کلمپر وجود دارد:
- مدار کلمپر مثبت: سطح DC سیگنال ورودی را افزایش می‌دهد
- مدار کلمپر منفی: سطح DC سیگنال ورودی را کاهش می‌دهد
در هر حالت با اضافه کردن منبع ولتاژ به مدار می‌توان 4 مدل مدار دیگی نیز به دست آورد که هر کدام کارکرد خود را دارد. مدار کلمپر مثبت با بایاس مثبت، مدار کلمپر مثبت با بایاس منفی، مدار کلمپر منفی با بایاس مثبت، مدار کلمپر منفی با بایاس منفی. در ادامه ابتدا ساختار دو نمونه از مدارات کلمپر مثبت را بررسی می‌کنیم و در ادامه به بررسی مختصر مدارات کمپر منفی می‌پردازیم. تحلیل ها بسیار شبیه به هم می‌باشند.
-
مدار کلمپ مثبت
به تصویر زیر توجه کنید.
در نیم سیکل مثبت اول، دیود در بایاس معکوس قرار دارد و سیگنال ورودی عینا در خروجی قرار خواهد گرفت. همچنین در این حالت خان شارژ نشده است. در تصویر بالا خروجی مدار در نیم سیکل اول رسم نشده است. شکل موج دقیق مدار با در نظر گرفتن شکل موج در نیم سیکل اول که خازن شارژ نشده است به صورت زیر می‌باشد.
در ادامه در نیم سیکل منفی دیود در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد و جریان از آن عبور می‌کند. خازن در این قسمت تا را مقدار پیک Vm شارژ می‌کند. به این صورت که پلاریته خازن به شکلیست که که صفحه راست آن بار مثبت و صفحه چپ بار منفی خواهد داشت. در نیم سیکل مثبت بعدی، دیود مجددا در بایاس معکوس خواهد بود. شارژ ذخیره شده در خازن نیز در این حالت تخلیه می‌شود. ولتاژ تخلیه شده خازن به سیگنال ورودی اضافه می‌شود و مجموع آن ها در خروجی ظاهر می‌شود. در واقع ولتاژ خروجی برابر مجموع ولتاژ ورودی (Vi) و ولتاژ زخیره شده در خازن (Vm) خواهد بود. چون پلاریته شارژ خازن با ورودی یکسان بود، سیگنال به اندازه شارژ خازن (Vm) به سمت بالا شیفت پیدا می‌کند.
این مدار تمام سیگنال ورودی را به ولتاژ های مثبت خواهد آورد.
Vo = Vi + Vm
-
مدار کلمپ مثبت با بایاس مثبت
اگر بخواهیم علاوه بر آوردن تمام شکل موج به قسمت های مثبت، سطح DC آن را باز هم بالا ببریم، می توانیم از مدار کلمپ مثبت با ولتاژ Vb مثبت استفاده کنیم. درین صورت تنظیم سطح DC مدار تماما در دست طراح و قابل کنترل خواهد بود. مطابق تصویر زیر، اگر مدار کلمپ با یک ولتاژ رفرنس مثبت بایاس شود (که به صورت سری با دیود قرار می‌گیرد)، آن مقدار ولتاژ به خروجی مدار اضافه می‌شود و سطح dc سیگنال را افزایش می‌دهد. شکل موج سیگنال های ورودی و خروجی این مدار در زیر نشان داده شده اند.
در طی نیم سیکل مثبت، تا زمانی که ولتاژ ورودی بیشتر از Vb نشده است، دیود هدایت می‌کند و خازن در این مدت تا مقدار Vr شارژ می‌شود و به محض بیشتر شده Vi از Vb دیود دیگر هدایت نمی‌کند.سپس در نیم سیکل منفی دیود در بایاس مستقیم قرار خواهد گرفت. تا جایی که خازن در این نیم سیکل تا ولتاژ Vm+Vb شارژ می‌شود و این شارژ خازن در طول نیم سیکل مثبت بعدی به ولتاژ ورودی افزوده شده و در خروجی ظاهر می‌شود. ادامه روند مانند مدار کلمپر ساده است. در واقع باقی مدارات را به همان صورت و در نظر گرفتن تغییرات در هر مدار می‌توان تحلیل کرد.
-
مدار کلمپر مثبت با بایاس منفی
تحلیل این مدار هم مشابه تحلیل های بالا به سادگی امکان پذیر است. ساختار مدار و شکل موج های ورودی و خروجی در تصویر زیر آورده شده اند.
-
مدار کلمپر منفی
همانطور که گفته شد اگر بخواهیم سطح DC سیگنال را کاهش دهیم، از مدار کلمپر منفی استفاده می‌کنیم. این مدا نیز مانند کلمپر مثبت از یک خازن و مقاومت و یک دیود تشکیل شده است؛ با این تفاوت که در این مدار ولتاژ برعکس حالتی قرار می گیرد که در مدار کلمپر مثبت قرار داشت. این مدار شکل موج ورودی را به طور کامل به قسمت منفی منتقل می‌کند. در تصویر زیر شکل مدار و نمودار های ورودی و خروجی آورده شده است.
تحلیل این مدارات به تحلیل های قبلی بسیار شبیه است. در طول نیم سیکل مثبت خازن تا ولتاژ Vm شارژ می‌شود. باید دقت کرد که پلاریته خازن به این صورت است که صفحه سمت چپ، ولتاژ مثبت و صفحه سمت راست ولتاژ منفی دارد. در این حالت دیود در بایاس مستقیم قرار دارد و هدایت می‌کند. سپس در نیم سیکل منفی، دیود بایاس معکوس می‌شود. در نتیجه مانند مدار باز عمل می‌کند و خروجی در هر لحظه از رابطه زیر به دست خواهد آمد.
Vo = Vi – Vm
چون ثابت زمانی مدار مقدار کوچکی انتخاب شده بود و فرض کردیم خازن به آرامی تخلیه می شود، در سیکل های مثبت بعدی ولتاژ دو سر خازن را مقدار Vm در نظر می گیریم. در نتیجه درستی رابطه بالا برای سیکل های بعدی نیز تضمین می‌شود. دقت کنید تنها در نیم سیکل اول که خازن در حال شارژ است ممکن است خروجی نداشته باشیم.
در این حالت نیز مانند مدار کلمپ مثبت در شکل موج سیگنال تغییری به وجود نخواهد آمد و تنها سطح DC سیگنال تغییر می‌کند.
-
مدار کلمپر منفی با بایاس مثبت
ساختار مدار کلمپ منفی با ولتاژ منفی در تصویر زیر آمده است.
-
مدار کلمپر منفی با بایاس منفی
ساختار و شکل موج ورودی و خروجی این مدار نیز در شکل زیر آورده شده است.
کاربرد ها
برخی از کاربرد های مدار کلمپر یا تغییر سطح را در زیر عنوان کرده ایم.
- به عنوان بازسازی کننده جریان مستقیم
- برای از بین بردن اعوجاج
- برای محافظت تقویت کننده ها
- در مدارات تست
- به عنوان تثبیت کننده base-line
علاوه بر این موارد، مواقع زیادی پیش می آید که می خواهیم تمام سیگنال در یک نیمه (یا در قسمت های مثبت و یا قسمت های منفی) قرار بگیرد. برای مثال ممکن است رنج ولتاژ های ورودی به قطعات مختلف مقدار مینیممی داشته باشد و یا در درایو کردن قطعات این نیاز وجود داشته باشد. در این صورت به سادگی می توانیم با استفاده از این مدارات این مشکل را حل کنیم. ولتاژ رفرنس را نیز می توانیم با تقسیم ولتاژ مقاومتی یک سطح DC ثابت بسازیم یا اگر دقت بالایی مد نظر باشد از رگولاتور ها استفاده کنیم. آشنایی با این جور مدارات کاربردی می‌تواند در طراحی مدارات الکترونیکی بسیار مفید و کمک کننده باشد. در مرکز ذهن دیجیتال طراحی مدارات آنالوگ و دیجیتال با بهترین کیفیت انجام شده و با بهترین قیمت در اختیار مشتری قرار می‌گیرد.
منبع:
https://www.electricaltechnology.org/2021/10/clamper-circuit.html
