Οι σταθεροποιητές τάσης είναι κυκλώματα που χρησιμοποιούνται στα τροφοδοτικά και εξασφαλίζουν την αδιάλειπτη παροχή σταθερής τάσης ανεξαρτήτως της παρεχόμενης ισχύος ή του ρεύματος στο φορτίο. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες σταθεροποιητών τάσης: Οι γραμμικοί σταθεροποιητές και οι παλμικοί (ή διακοπτικοί) σταθεροποιητές. Κάθε μία από αυτές τις κατηγορίες παρουσιάζει τα δικά της ξεχωριστά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Στο τρέχον άρθρο θα εξηγήσουμε την αρχή λειτουργίας των γραμμικών σταθεροποιητών τάσης.

Όλα τα τροφοδοτικά που χρησιμοποιούν σταθεροποιητές τάσης ονομάζονται σταθεροποιημένα τροφοδοτικά σε αντίθεση με τα υπόλοιπα που ονομάζονται τροφοδοτικά χωρίς σταθεροποίηση. Για την τροφοδοσία των περισσότερων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χρησιμοποιούμε σταθεροποιημένα τροφοδοτικά για να εξασφαλίσουμε ότι θα υπάρχει πάντοτε σταθερή τάση τροφοδοσίας ανεξαρτήτως από το ρεύμα που απορροφά κάθε στιγμή το τροφοδοτούμενο κύκλωμα και φυσικά η σταθεροποίηση είναι περισσότερο κρίσιμη στα κυκλώματα που εμφανίζουν μεγάλες διακυμάνσεις στο ρεύμα τροφοδοσίας τους.

Πολλοί ηλεκτρονικοί συχνά συγχέουν τη σταθεροποίηση με την εξομάλυνση. Στην πραγματικότητα πρόκειται για δύο διαφορετικά πράγματα. Με την εξομάλυνση επιτυγχάνουμε την απόρριψη της κυμάτωσης που προκύπτει από την ανόρθωση ενώ με τη σταθεροποίηση καθιστούμε την τάση εξόδου ανεξάρτητη του φορτίου κι ανεξάρτητη της πηγής ισχύος του τροφοδοτικού (της τάσης του δικτύου). Η εξομάλυνση είναι μία διαδικασία φιλτραρίσματος ενώ η σταθεροποίηση είναι ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου. Βέβαια, ένας καλός σταθεροποιητής μπορεί να μειώσει την κυμάτωση, γι αυτό συχνά συγχέεται ο ρόλος του με την εξομάλυνση.

Σε κάθε σταθεροποιητή τάσης υπάρχει πάντοτε ένα κύκλωμα ή ένα ηλεκτρονικό στοιχείο που παρέχει μία τάση αναφοράς - μία σταθερή τάση δηλαδή που χρησιμοποιείται ως αναφορά για την δημιουργία μίας άλλης σταθερής τάσης (αυτής του τροφοδοτικού). Στους πιο απλούς σταθεροποιητές το στοιχείο αναφοράς είναι συνήθως μία δίοδος τύπου zener, όπως στο κύκλωμα που παρουσιάζουμε παρακάτω:

Σταθεροποιητής τάσης με τελεστικό ενισχυτή
Εικόνα 1. Γραμμικός σταθεροποιητής τάσης με τελεστικό

 
Η δίοδος ζένερ (D1) πολώνεται ανάστροφα μέσω της Rz με ένα τυπικό ρεύμα προκειμένου να λειτουργεί εντός της χαρακτηριστικής περιοχής ζένερ. Με τον τρόπο αυτό και λόγω του φαινομένου Zener, στα άκρα της D1 εμφανίζεται μία σταθερή τάση, η Vz. Το ρεύμα πόλωσης της D1 παρέχεται από την πηγή VDC.  Η τάση VDC δεν είναι σταθεροποιημένη αλλά συνήθως είναι μία τάση που προκύπτει μετά από ανόρθωση κι εξομάλυνση. Παρόλο που το κύκλωμα τροφοδοτείται από την τάση VDC που δεν είναι σταθεροποιημένη, στο φορτίο παρέχεται τελικά μία σταθεροποιημένη τάση, η VL. Η σταθεροποίηση επιτυγχάνεται με ένα κύκλωμα αυτομάτου ελέγχου που συγκρίνει συνεχώς την τάση VL με την τάση αναφοράς Vz και προβαίνει συνεχώς στις απαραίτητες διορθώσεις.

Στους περισσότερους γραμμικούς σταθεροποιητές, το κύκλωμα ελέγχου υλοποιείται συνήθως με έναν τελεστικό ενισχυτή, όπως στην εικόνα 1. Ένα τρανζίστορ, το T1, αναλαμβάνει να παρέχει στο φορτίο το απαιτούμενο ρεύμα, που εκ των πραγμάτων δεν θα μπορούσε να παρέχει από μόνος του ο τελεστικός ενισχυτής.

Ο τελεστικός χρησιμοποιείται ως ένας διαφορικός ενισχυτής και λειτουργεί στη γραμμική του περιοχή (δεν φθάνει δηλαδή ποτέ στον κόρο). Λόγω της μεγάλης ενίσχυσης ανοικτού βρόχου που παρέχει τυπικά ένας τελεστικός ενισχυτής (που κυμαίνεται από μερικές δεκάδες χιλιάδες έως μερικά εκατομμύρια στους περισσότερους τελεστικούς), ο μόνος τρόπος για να δουλεύει στη γραμμική περιοχή (να μην φθάνει στον κόρο) είναι όταν η διαφορική τάση στην είσοδό του είναι πολύ μικρή και τυπικά είναι περίπου ίση με μηδέν. Δηλαδή, η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην αναστρέφουσα (V-) και στην μη αναστρέφουσα (V+) είσοδό του είναι περίπου ίση με μηδέν. Δηλαδή:

V-=V+  (1)

Η σχέση (1) ισχύει για όλους τους τελεστικούς ενισχυτές που λειτουργούν στη γραμμική περιοχή (ως ενισχυτές δηλαδή και όχι ως συγκριτές).

Οι αντιστάσεις R1 και R2 σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης και η τάση Vστην αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού προκύπτει ως ένα κλάσμα της τάσης του φορτίου (VL) και δίνεται από τη σχέση:

V-=VL·R1/(R1+R2)  (2)

Η σχέση (2) προκύπτει από το διαιρέτη τάσης και δεδομένου ότι πρόκειται για έναν "ισχυρό" διαιρέτη, δηλαδή έναν διαιρέτη τάσης που λειτουργεί δίχως φορτίο στην έξοδό του επειδή ότι ο τελεστικός παρουσιάζει σχεδόν άπειρη αντίσταση εισόδου.

Η τάση V+, στη μη μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού είναι ίση με την τάση ζένερ, τη Vz, δεδομένου ότι η μη αναστρέφουσα είναι συνδεμένη απευθείας με την κάθοδο της διόδου ζένερ. Δηλαδή:

V+=VZ (3)

Συνδυάζοντας τις σχέσεις (1),(2) και (3), βρίσκουμε ότι:

VL=VZ·(1+R2/R1) (4)

Η σχέση (4) δείχνει ότι η τάση VL στο φορτίο είναι ανάλογη της τάσης Zener, Vz και η σταθερά αναλογίας είναι ο όρος (1+R2/R1). Δεδομένης της αναλογίας και του γεγονότος ότι η τάση ζένερ  είναι σταθερή (είναι μία τάση αναφοράς), η VL παραμένει εκ των πραγμάτων κι αυτή σταθερή. Επιπλέον, η τάση στο φορτίο μπορεί να ρυθμιστεί από το λόγο των αντιστάσεων R1 προς R2, με μεταβολή της μίας εκ των δύο ή ακόμη και των δύο. Για να υπάρχει δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της τάσης εξόδου VL, οι R1 και R2 μπορούν να αντικατασταθούν από ένα ποτενσιόμετρο που θα έχει το δρομέα του συνδεμένο με τη μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού και το ένα του άκρο στο φορτίο και το άλλο του άκρο στη γη.

Η τάση Vδεν μπορεί φυσικά να υπερβεί την τάση VDC. Μπορεί τυπικά να γίνει περίπου ίση με τη VDC τη στιγμή που το τρανζίστορ T1 φθάσει στον κόρο. Επίσης, από τη σχέση (4) φαίνεται ότι η τάση στο φορτίο (VL) δεν μπορεί ποτέ να γίνει μικρότερη από την τάση αναφοράς (Vz). Ισχύει δηλαδή ότι VZ<VL<VDC.

Όλοι οι γραμμικοί σταθεροποιητές τάσης λειτουργούν βάσει του τρόπου που αναλύσαμε παραπάνω. Οι διαφορές μεταξύ των γραμμικών σταθεροποιητών έχουν να κάνουν με:

  • Το μέγιστο ρεύμα που μπορούν να δώσουν στο φορτίο που εξαρτάται από το τρανζίστορ T1 ή γενικότερα από τα τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται στην έξοδο του σταθεροποιητή (γιατί μπορεί να είναι περισσότερα από ένα).
  • Από τη σταθερότητα του κυκλώματος που παρέχει την τάση αναφοράς που μπορεί να είναι μία ζένερ στην απλούστερη μορφή του (όπως στο τυπικό κύκλωμα της εικόνας 1) ή ένα πιο εξελιγμένο κύκλωμα.
  • Από την ποιότητα του διαφορικού ενισχυτή (του τελεστικού) αναφορικά με την απολαβή ανοικτού βρόχου και την ταχύτητά του. Είναι προφανές ότι όσο πιο γρήγορα αποκρίνεται ο τελεστικός τόσο πιο άμεσες είναι οι διορθώσεις στην τάση του φορτίου και τόσο πιο "στενή" η επιτήρηση και καλύτερη η ακρίβεια - σταθεροποίηση.

Το κύριο πλεονέτημα των γραμμικών σταθεροποιητών τάσης είναι κυρίαρχα το γεγονός ότι πρόκειται για απλά κυκλώματα που μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα και με μικρό κόστος. Μπορούμε να τα κατασκευάσουμε μόνοι  μας με διακριτά στοιχεία ή ακόμη μπορούμε να αγοράσουμε έτοιμους γραμμικούς σταθεροποιητές τάσης σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος σε σχετικά χαμηλή τιμή.

Υπάρχει όμως κι ένα πολύ κακό μειονέκτημα: Αν παρατηρήσετε το κύκλωμα της εικόνας 1 θα διαπιστώσετε ότι το τρανζίστορ T1 έχει πάντοτε στα άκρα του (ανάμεσα στο συλλέκτη και τον εκπομπό) μία διαφορά δυναμικού που είναι ίση με τη VDC -VL και μέσα από το Τ1 διέρχεται το ρεύμα IL που τελικώς αποδίδεται στο φορτίο. Το γινόμενο του ρεύματος επί τη διαφορά δυναμικού στα άκρα του τρανζίστορ ισοδυναμεί με μία ισχύ που "καταναλώνεται" πάνω στο τρανζίστορ υπό μορφή θερμότητας και ουσιαστικά αντιπροσωπεύει μία ισχύ που "χάνεται" άσκοπα σε θερμικές απώλειες. Το Τ1 θερμαίνεται περισσότερο όταν υπάρχει μεγάλη διαφορά τάσης VDC -VL, δηλαδή όταν ρυθμίσουμε στο φορτίο να έχουμε μικρή τάση. Η "χαμένη" ισχύς μπορεί να γίνει πολλές φορές ακόμη και μεγαλύτερη από την ισχύ που παρέχεται στο φορτίο. Ουσιαστικά δηλαδή, οι γραμμικοί σταθεροποιητές είναι αποδοτικοί μόνο για μεγάλη τάση στο φορτίο (κοντά στην τιμή VDC) και όχι για μικρές τάσεις (στο όριο της VZ).

Η ωφέλιμη ισχύς Pωφ, στο φορτίο είναι ίση με:

Pωφ=VL*IL         (5)

Η ισχύς που χάνεται υπό μορφή θερμότητας Pαπ είναι ίση με:

Pαπ=(VDC -VL )*IL      (6)

Η συνολική ισχύς Pt που απορροφά το τροφοδοτικό από το δίκτυο παροχής ισχύος, αν αγνοήσουμε την κατανάλωση ισχύος του τελεστικού και της ζένερ, είναι ίση με:

Pt=VDC*IL        (7)

Επομένως η απόδοση α επί % του τροφοδοτικού είναι ίση με:

α%=Pωφ/Pt %= VL/VDC %          (8)