اجزای یک تثبیت‌کننده ولتاژ
تثبیت‌کننده ولتاژ یک دستگاه الکتریکی است که از چندین بخش اصلی تشکیل شده است. در اینجا به بررسی هر کدام از این اجزا می‌پردازیم:
1. ترانسفورماتور قدرت
تثبیت‌کننده ولتاژ نیاز دارد که ولتاژ شبکه (معمولاً ۲۲۰ یا ۳۸۰ ولت AC) به ولتاژ مناسب برای دستگاه‌های الکترونیکی تبدیل شود. ترانسفورماتور این کار را انجام می‌دهد و ولتاژ AC را به ولتاژ مورد نیاز تبدیل می‌کند. سپس این ولتاژ متناوب اصلاح، فیلتر و تثبیت می‌شود تا در نهایت ولتاژ DC مورد نظر به دست آید.
2. مدار یکسو کننده
مدار یکسو کننده وظیفه تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) را بر عهده دارد. این مدار از اجزای یکسو کننده مانند دیودها و تریستورها استفاده می‌کند. این اجزا جریان AC را به شکل جریان DC ضربانی تبدیل می‌کنند. اما این نوع ولتاژ DC هنوز حاوی نوساناتی است که باید اصلاح شود.
3. مدار فیلتر
هدف مدار فیلتر این است که نوسانات موجود در ولتاژ DC ضربانی را تا حد ممکن کاهش دهد و آن را به یک ولتاژ DC صاف تبدیل کند. این مدار معمولاً شامل اجزای ذخیره انرژی مانند خازن‌ها و سلف‌ها است که به فیلتر کردن ریپل‌ها کمک می‌کنند.
4. مدار تنظیم کننده ولتاژ
ولتاژ DC صاف شده توسط تثبیت‌کننده ولتاژ ممکن است نتواند نیازهای تجهیزات الکترونیکی را برآورده کند. این مشکلات به دو دلیل است:
اول، وقتی بار (مصرف) تغییر می‌کند، ولتاژ خروجی نیز تغییر می‌کند.
دوم، وقتی ولتاژ شبکه تغییر می‌کند (مثلاً ±۱۰٪)، ولتاژ خروجی نیز تغییر می‌کند.
مدار تنظیم کننده ولتاژ وظیفه دارد که ولتاژ DC خروجی را ثابت نگه‌دارد، حتی زمانی که ولتاژ شبکه یا جریان بار تغییر کند. این کار به جلوگیری از اثرات منفی بر عملکرد تجهیزات الکترونیکی کمک می‌کند.
2. ترانسفورماتور در یک تثبیت‌کننده ولتاژ خطی چگونه کار می‌کند؟
ترانسفورماتور در یک تثبیت‌کننده ولتاژ خطی معمولاً یک ترانسفورماتور کاهنده است که ولتاژ بالای AC ورودی را به ولتاژ AC پایین‌تری کاهش می‌دهد. این ولتاژ AC پایین‌تر مناسب‌تر برای یکسوسازی و تثبیت ولتاژ است. ترانسفورماتور بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی عمل می‌کند، جایی که جریان متناوب در سیم‌پیچ اولیه ولتاژ پایین‌تری در سیم‌پیچ ثانویه، بر اساس نسبت دور سیم‌پیچ‌ها، القا می‌کند.
3. یکسوکننده در فرآیند تثبیت ولتاژ چه نقشی دارد؟
یکسوکننده ولتاژ AC از ترانسفورماتور را به ولتاژ DC تبدیل می‌کند. این کار معمولاً با استفاده از پل دیودی (یکسوکننده تمام‌موج) انجام می‌شود که جریان را تنها در یک جهت عبور می‌دهد، و به طور مؤثر جریان متناوب را به جریان مستقیم (اگرچه پالسی) تبدیل می‌کند. با این حال، این خروجی DC صاف نیست و نیاز به فیلتر شدن بیشتر دارد.
4. چرا خازن فیلتر در یک مدار تثبیت‌کننده ولتاژ خطی ضروری است؟
خازن فیلتر برای صاف کردن ولتاژ DC پالسی از یکسوکننده و تبدیل آن به ولتاژ DC پایدارتر ضروری است. بدون این خازن، خروجی دارای نوسانات زیادی خواهد بود که می‌تواند باعث ناپایداری در مدارهای الکترونیکی تغذیه‌شده توسط تثبیت‌کننده شود. خازن در اوج ولتاژ پالسی DC شارژ می‌شود و هنگام افت ولتاژ تخلیه می‌شود، و بدین ترتیب نوسانات را کاهش داده و ولتاژ DC پایدارتری فراهم می‌کند.
5. آی‌سی تثبیت‌کننده ولتاژ چگونه ولتاژ خروجی را ثابت نگه می‌دارد؟
آی‌سی تثبیت‌کننده ولتاژ، ولتاژ خروجی را با تنظیم خودکار مقاومت داخلی خود در پاسخ به تغییرات ولتاژ ورودی یا جریان بار ثابت نگه می‌دارد. این آی‌سی از یک مکانیزم بازخورد استفاده می‌کند که در آن بخشی از ولتاژ خروجی به یک مدار مرجع داخل آی‌سی بازخورد داده می‌شود. اگر ولتاژ خروجی از مقدار مطلوب منحرف شود، آی‌سی مقاومت را تنظیم می‌کند تا خروجی را به سطح تعیین‌شده بازگرداند. این امکان را به تثبیت‌کننده می‌دهد که حتی در صورت تغییر شرایط ورودی یا بار، خروجی پایداری ارائه دهد.
6. چرا معمولاً از هیت‌سینک در تثبیت‌کننده‌های ولتاژ خطی استفاده می‌شود؟
تثبیت‌کننده‌های ولتاژ خطی در تبدیل انرژی به دلیل تلف شدن ولتاژ اضافی به صورت گرما، بازدهی کمتری دارند. این اتلاف انرژی به شکل گرما می‌تواند باعث داغ شدن بیش از حد تثبیت‌کننده و در نهایت آسیب به آن شود. هیت‌سینک برای دفع این گرما به هوای اطراف استفاده می‌شود تا تثبیت‌کننده در دمای مناسب عمل کند و عملکرد قابل اعتمادی داشته باشد.
7. معایب احتمالی استفاده از تثبیت‌کننده ولتاژ خطی چیست؟
بازدهی: تثبیت‌کننده‌های خطی در مقایسه با تثبیت‌کننده‌های سوئیچینگ بازدهی کمتری دارند زیرا ولتاژ اضافی به صورت گرما تلف می‌شود.
تولید گرما: به دلیل بازدهی پایین، این نوع تثبیت‌کننده‌ها گرمای زیادی تولید می‌کنند که نیاز به هیت‌سینک و شاید سیستم‌های خنک‌کننده دارد.
اندازه و وزن: نیاز به ترانسفورماتور و هیت‌سینک می‌تواند تثبیت‌کننده‌های خطی را حجیم و سنگین کند.
محدودیت در ورودی: تثبیت‌کننده‌های خطی نیاز دارند که ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ خروجی باشد که این تفاوت به آن افت ولتاژ (dropout voltage) گفته می‌شود و می‌تواند انعطاف‌پذیری آن‌ها را در برخی کاربردها محدود کند.
8. اهمیت افت ولتاژ در تثبیت‌کننده‌های خطی چیست؟
افت ولتاژ، حداقل تفاوت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی است که برای عملکرد صحیح تثبیت‌کننده خطی لازم است. به عنوان مثال، اگر یک تثبیت‌کننده ولتاژ خطی دارای افت ولتاژ 2 ولت باشد، ولتاژ ورودی باید حداقل 2 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی مورد نظر باشد. اگر ولتاژ ورودی بیش از حد به ولتاژ خروجی نزدیک شود، تثبیت‌کننده دیگر نمی‌تواند خروجی پایداری ارائه دهد که ممکن است به مشکلاتی در مدار تغذیه‌شده منجر شود.
استابلايزر-استابيلايزر-ترانس