Για να εξαλείψουμε την κυμάτωση και για να έχουμε περισσότερη σταθεροποίηση της τάσης εξόδου στο τροφοδοτικό που παρουσιάσαμε στη προηγούμενη ενότητα, πρέπει να προσθέσουμε στην έξοδο του ένα κύκλωμα σταθεροποίησης.

Κύκλωμα σταθεροποίησης με δίοδο Zener

Ένα απλό και φθηνό κύκλωμα σταθεροποίησης είναι με τη χρήση μιας διόδου Zener όπως φαίνεται στο σχήμα. Αυτό είναι κατάλληλο όταν έχουμε μικρά ρεύματα στο φορτίο καθώς και για μικρές τάσεις στα άκρα του.

Το κύριο χαρακτηριστικό της διόδου Zener είναι ότι η τάση V_Z στα άκρα της παραμένει πρακτικά σταθερή, για μια μεγάλη περιοχή ρευμάτων, όταν η δίοδος είναι πολωμένη ανάστροφα σε λειτουργία στη τάση Zener. Στο σχήμα φαίνεται η χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου Zener, όπου η περιοχή λειτουργίας της αντιστοιχεί στο κατακόρυφο τμήμα, όπου η δίοδος πολώνεται ανάστροφα με την τάση Zener στα άκρα της. Στο σχήμα βλέπουμε ότι μια μεταβολή στο ρεύμα της διόδου, όταν λειτουργεί στην περιοχή Zener, προκαλεί μια απειροστή μεταβολή τάσης δV στα άκρα της.

Λειτουργία του κυκλώματος Zener

Όταν η τάση στο φορτίο αυξηθεί κατά ένα μικρό ποσό, το ρεύμα Zener της διόδου αυξάνει σημαντικά και αφού διέρχεται από την αντίσταση R_S έχουμε μια μεγαλύτερη πτώση τάσης στα άκρα της, με αποτέλεσμα η αύξηση της τάσης στο φορτίο να αντισταθμιστεί και να μειωθεί στα αρχικά της επίπεδα. Αντίστροφα αν η τάση στο φορτίο μειωθεί κατά ένα μικρό ποσό, το ρεύμα μέσα στη δίοδο μειώνεται σημαντικά με αποτέλεσμα η πτώση τάσης στην αντίσταση R_S να μειωθεί, με αποτέλεσμα η μείωση της τάσης στο φορτίο να αντισταθμιστεί και η τάση στο φορτίο να έρθει στα αρχικά της επίπεδα.

Περιορισμοί του κυκλώματος σταθεροποίησης με δίοδο Zener:
α] Είναι κατάλληλο για μικρά ρεύματα στο φορτίο.
β] Η τάση εξόδου είναι ίση με την τάση Zener της διόδου, η οποία είναι χαρακτηριστική για τον τύπο της διόδου που χρησιμοποιούμε.
γ] Εάν το ρεύμα εξόδου γίνει μηδέν, π.χ. όταν αποσυνδεθεί το φορτίο, όλο το ρεύμα θα περάσει από την δίοδο Zener, το οποίο δεν πρέπει να υπερβεί μια μέγιστη τιμή, αυτή που ορίζει ο κατασκευαστής έτσι ώστε η δίοδος να μην καταστραφεί.
δ] Η ανορθωμένη τάση εισόδου, θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη (συνήθως 30%) από την τάση εξόδου, για να έχουμε ένα περιθώριο στη σταθεροποίηση. Δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή, για να μπορεί η δίοδος Zener να αντέξει στη διαφορά της κατανάλωσης ισχύος.
ε] Η ισχύς που καταναλώνεται στη δίοδο πρέπει να είναι μέσα στα περιθώρια λειτουργίας για τη δίοδο Zener που χρησιμοποιούμε. Μέγιστη ισχύς καταναλώνεται όταν αποσυνδεθεί το φορτίο ενώ η τάση εισόδου πάρει την μέγιστη τιμή της. Σε αυτή την ακραία περίπτωση η ισχύς που καταναλώνεται στη δίοδο πρέπει να είναι μικρότερη από εκείνη που είναι κατασκευασμένη να αντέξει.

Σε ένα τέτοιο τυπικό κύκλωμα σταθεροποίησης, μόνο περίπου 33% της συνολικής ισχύος παρέχεται στο φορτίο, ενώ περίπου το 66% της ολικής ισχύος καταναλώνεται από τα στοιχεία του σταθεροποιητή, που σημαίνει ότι αυτός ο τύπος σταθεροποιητή έχει το χαρακτηριστικό να μην είναι αποδοτικός.

Κύκλωμα σταθεροποίησης με τρανζίστορ και δίοδο Zener

Ένα απλό κύκλωμα σταθεροποίησης με τρανζίστορ και δίοδο Zener φαίνεται στο σχήμα. Σε αυτό το κύκλωμα έχουμε προσθέσει ένα τρανζίστορ στην έξοδο του κυκλώματος αντίστασης – Zener που περιγράψαμε στην προηγούμενη ενότητα, με τη βάση του τρανζίστορ συνδεμένη στο άκρο της διόδου Zener.

Η τάση στον εκπομπό του τρανζίστορ, είναι τυπικά 0,7V μικρότερη από αυτή της βάσης και η τάση της εξόδου V_OUT θα είναι επομένως μικρότερη από εκείνη της βάσης κατά 0,7V, δηλαδή:
V_OUT = V_Z – V_BE   (V_BE > 0)

Αν η τάση εξόδου (V_OUT) μειωθεί, τότε από τον παραπάνω τύπο, η τάση βάση – εκπομπού  V_BE αυξάνει με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος μέσα από το τρανζίστορ (από τον συλλέκτη στον εκπομπό). Αυτό αυξάνει το ρεύμα στο φορτίο και συνεπώς και την τάση στα άκρα του. Με την αντίστροφη διαδικασία έχουμε αντιστάθμιση αν η τάση στο φορτίο V_OUT αυξηθεί.

Αυτός ο τρόπος σταθεροποίησης οφείλεται στη τάση της βάσης που κρατείται σταθερή, αφού είναι συνδεμένη με τη δίοδο Zerner, η οποία έχει σταθερή τάση στα άκρα της. Έτσι κάθε αλλαγή της τάσης του φορτίου δηλαδή της τάσης εξόδου V_OUT έχουμε μεταβολή της τάσης βάσης – εκπομπού V_BE η οποία ρυθμίζει το ρεύμα αγωγιμότητας του τρανζίστορ, το οποίο είναι συνήθως ένα τρανζίστορ ισχύος, κρατώντας την τάση εξόδου σταθερή.

Αν και το κύκλωμα σταθεροποίησης που περιγράψαμε προηγουμένως δεν είναι τέλειο, για ένα λόγο ότι το τμήμα Zener στη χαρακτηριστική καμπύλη που λειτουργεί ανάστροφα η δίοδος, δεν είναι κατακόρυφη αλλά παρουσιάζει μια μικρή κλίση.

Κύκλωμα ανάδρασης και ενίσχυσης σφάλματος

Για να βελτιώσουμε το απλό σειριακό κύκλωμα σταθεροποιητή, που παρουσιάσαμε προηγουμένως, προσθέτουμε ένα κύκλωμα ανάδρασης και ένα ενισχυτή σφάλματος.

Στο σχήμα φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα ενός σειριακού σταθεροποιητή με διόρθωση σφάλματος. Σε αυτό το κύκλωμα η τάση αναφοράς V_Z συγκρίνεται με την τάση δειγματοληψίας που είναι ένα κλάσμα της τάσης εξόδου. Η διαφορά μεταξύ αυτών των τάσεων παράγει μια τάση σφάλματος που χρησιμοποιείται για την αλλαγή της αγωγιμότητας του στοιχείου ελέγχου διορθώνοντας κάθε σφάλμα στην τάση εξόδου.

Κυκλωματικό διάγραμμα

Το διάγραμμα του συστήματος που περιγράψαμε φαίνεται στο σχήμα. Το τρανζίστορ Tr1 είναι το σειριακό στοιχείο ελέγχου. Συνήθως είναι ένα τρανζίστορ ισχύος στερεωμένο σε μια ψύκτρα για την απαγωγή της θερμότητας.

Μια σταθερή τάση αναφοράς παράγεται με τα R4 και Dz1. Το τρανζίστορ Tr2 είναι ο ενισχυτής σφάλματος και το κέρδος του ρυθμίζεται από την τιμή της αντίστασης R3 που αποτελεί το φορτίο του. Το Tr2 συγκρίνει το κλάσμα της τάσης V_F από τον διαιρέτη R1/R2 της τάσης εξόδου με την σταθερή τάση αναφοράς V_Z κατά μήκος της διόδου Zener D_Z.

Όπου V_Z η τάση στα άκρα της D_Z
V_BE2  η τάση βάσης – εκπομπού του Tr2
V_F  η τάση ανάδρασης που προέρχεται από τον δρομέα του ποτενσιόμετρου VR1

Αν η V_OUT τείνει να αυξηθεί τότε και η διαφορά V_F-V_Z θα αυξηθεί. Αυτό αυξάνει το ρεύμα του συλλέκτη στο Tr2 μειώνοντας το δυναμικό στο κάτω άκρο της R3 με αποτέλεσμα να μειωθεί το δυναμικό της βάσης και επομένως η τάση βάσης – εκπομπού του Tr1 να γίνει μικρότερη, που οδηγεί στη μείωση της αγωγιμότητας του Tr1 και έτσι έχουμε αντιστάθμιση με χαμηλότερο ρεύμα στο φορτίο.

Αν θεωρήσουμε το ρεύμα της βάσης του Tr2 αμελητέο η τάση ανάδρασης V_F δίνεται από τον τύπο διαιρέτη τάσης

Όπου VR1α το χαμηλότερο τμήμα του ποτενσιόμετρου. Όμως ισχύει: V_F = V_DZ + V_BE2 Επειδή η τάση V_F είναι σταθερή συνεπάγεται ότι η τάση εξόδου V_OUT παραμένει σταθερή και εξαρτάται μόνο από τις τιμές των R1, R2 και VR1. Έτσι η τάση εξόδου ρυθμίζεται ανάλογα την θέση του δρομέα της μεταβλητής αντίστασης VR1.

Κυκλώματα προστασίας

Στο σχήμα φαίνεται πως ένα σειριακό κύκλωμα σταθεροποίησης μπορεί να προστατευτεί από υπερβολικά ρεύματα στο φορτίο. Αυτό θα προστατεύσει το τροφοδοτικό από βλάβη όταν μεγάλα ρεύματα τραβηχτούν στην έξοδο ακόμα και όταν η έξοδος βραχυκυκλωθεί.

Δυο εξαρτήματα Tr3 και R5 προστίθενται στο βασικό κύκλωμα που παρουσιάσαμε στην προηγούμενη ενότητα. Όταν το ρεύμα φορτίου αυξηθεί πάνω από μια προκαθορισμένη τιμή, η μικρή τάση που αναπτύσσεται στα άκρα της R5, γίνεται σημαντική προκαλώντας σε αγωγιμότητα το τρανζίστορ Tr3. Καθώς το Tr3 είναι συνδεμένο στα άκρα της βάσης και εκπομπού του τρανζίστορ ελέγχου Tr1 με την αγωγιμότητα του Tr3 θα έχουμε μείωση της τάσης βάσης – εκπομπού του Tr1 κατά ένα ποσό ανάλογο της αύξησης του ρεύματος εξόδου.

Με αυτό τον τρόπο το ρεύμα εξόδου δεν θα επιτραπεί να υπερβεί μια προκαθορισμένη τιμή ακόμα και αν έχουμε βραχυκύκλωμα στην έξοδο. Σε αυτή την περίπτωση η τάση βάσης – εκπομπού του Tr1 θα μειωθεί πρακτικά στα μηδέν βολτ καθιστώντας το Tr1 μη αγώγιμο. Σε αυτές τις συνθήκες η τάση εξόδου θα πέσει πρακτικά στο μηδέν όσο υπάρχει το μεγάλο ρεύμα στο φορτίο χωρίς την καταστροφή του τροφοδοτικού.