Όπως είδαμε, το φίλτρο εξομάλυνσης δίνει βελτιωμένη dc τάση εξόδου, αλλά κατά κανόνα οι μεταβολές του φόρτου έχουν σημαντική επίδραση σε αυτή την τάση εξόδου. Για να βελτιώσουμε ακόμα παραπέρα τη συμπεριφορά ενος τροφοδοτικού και να καταστήσουμε την τάση εξοδου του όσο το δυνατό πιο ανεπηρέαστη από τυχόν μεταβολές του φόρτου, χρησιμοποιούμε ειδικό κύκλωμα που λέγεται κύκλωμα σταθεροποίησης τάσης. Παρακάτω, θα δούμε το πιο απλό κύκλωμα σταθεροποίησης, που είναι ο σταθεροποιητής με δίοδο Zener και στη συνέχεια πιο σύνθετα κυκλώματα. Προηγουμένως όμως, θα εξετάσουμε τις γενικές αρχές που διέπουν τη διαδικασία της σταθεροποίησης.
8.8.1 Αρχές Λειτουργίας της Σταθεροποίησης
Οποιαδήποτε πηγή τροφοδοσίας μπορεί να παρασταθεί με το ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin, Σχ.8.14, με φόρτο RL συνδεδεμένο στην έξοδό του. Η τάση VΟ στα άκρα του φόρτου είναι:
όπου V είναι η τάση εξόδου του φίλτρου εξομάλυνσης και Rs είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγής τροφοδοσίας.
Αν για οποιαδήποτε αιτία (π.χ. αλλαγή της τάσης του δικτύου) αλλάξει η τάση εξόδου V του φίλτρου εξομάλυνσης, θα μεταβληθεί το ρεύμα IL και επομένως, σύυμφωνα με την Εξ.(8.8.1) θα αλλάξει η τάση εξόδου Vo. Αλλά και αν μεταβληθεί ο φόρτος RL, θα μεταβληθεί πάλι το ρευμα IL, άρα και η Vo, και η επίδραση στην τάση Vo εξαρτάται από τη σχετική τιμή των RL και RS. Συνεπώς, για να διατηρούμε σταθερή την τάση Vo στα άκρα του φόρτου είναι απαραίτητο να αντισταθμίζουμε τις παραπάνω μεταβολές της τάσης ή του ρεύματος ή και των δύο ταυτόχρονα.
Ένας τρόπος για να σταθεροποιήσουμε σύμφωνα με τα πιο πάνω την τάση Vo είναι να εισάγουμε μια μεταβλητή αντίσταση RV σε σειρά με το φόρτο RL, όπως δείχνει το Σχ.8.15. Τότε η τάση εξόδου θα είναι:
Η αντίσταση RV πρέπει να μεταβάλλεται αυτόματα, ώστε να αντισταθμίζει τις μεταβολές της V και του IL. Υπάρχουν διάφορα κυκλώματα σταθεροποίησης που μπορούν να μεταβάλλουν αυτόματα την ενεργό αντίσταση Rv του στοιχείου σειράς, έτσι ώστε να ρυθμίζουν σταθεροποιητικά την τάση εξόδου συγκρίνοντάς την με μια σταθερή τάση αναφοράς.
Όταν το ενεργό στοιχείο είναι σε σειρά με το φόρτο η σταθεροποίηση λέγεται σταθεροποίηση σειράς, Σχ.8.15α, και ελέγχεται από την Εξ.(8.8.2). Το κόστος της σταθεροποίησης σειράς είναι πολυ χαμηλό και γι' αυτό χρησιμοποιείται αρκετά συχνά.
Ένας άλλος τρόπος σταθεροποίησης είναι η παράλληλη σταθεροποίηση, Σχ.8.15 β. Αποδεικνύεται ότι, σ' αυτή την περίπτωση η τάση εξόδου Vo του κυκλώματος είναι:
8.8.2 Απλή Σταθεροποίηση με Δίοδο Zener
Στα Γενικά Ηλεκτρονικά του αντίστοιχου μαθήματος είδαμε την ιδιότητα της ανάστροφης τάσης της χαρακτηριστικής μιας διόδου Zener. Οι δίοδοι Zener ή χιονοστιβάδας πρέπει να έχουν υψηλή στάθμη πρόσμιξης αν θέλουμε να έχουμε χαμηλές τάσεις θλάσης ή κατάρρευσης.
Το Σχ.8.16α δείχνει τη χαρακτηριστική της διόδου Zener, και το Σχ.8.16β δείχνει έναν παράλληλο σταθεροποιητή χαμηλής ισχύος που χρησιμοποιεί μια Zener για ενεργό αντίσταση RV.
Σχήμα 8.16. Χαρακτηριστική v-i της Zener (α) και κύκλωμα
σταθεροποίησης τάσης με Zener (β)
Εφόσον η τάση Zener rz = Vz/ Iz παραμένει σχεδόν σταθερή, για μεγάλη περιοχή ρεύματος, η ισοδύναμη ενεργός αντίσταση Rv=V0 / Iz θα μεταβάλλεται ώστε να αντισταθμίζει τις μεταβολές της τάσης εξόδου του φίλτρου εξομάλυνσης, V, ή του ρεύματος φόρτου IL.
Το παρόν κυκλωμα με δίοδο Zener δεν είναι τέλειος σταθεροποιητής, όπως δείχνει το Σχ.8.16α, αφού η τάση της, VZ, αυξάνει ελαφρά όταν αυξάνει το ρεύμα της IZ (η χαρακτηριστική δεν είναι τελείως κατακόρυφη). Με βάση το νόμο του Ohm, το ολικό ρεύμα I, δίνεται από τη σχέση:
όπου, R = Rs + RL. Συνεπώς, για δεδομένη τάση εισόδου V, το ρεύμα I, θα είναι σταθερό. Σύμφωνα όμως με το νόμο των ρευμάτων του Kirchhoff το ρεύμα αυτό θα είναι:
I = Iz + IL (8.8.5)
Από τη σχέση αυτή φαίνεται, ότι αν αυξηθεί το ρεύμα φόρτου IL το ρεύμα της Zener Iz ελαττώνεται. Θα πρέπει λοιπόν, με το μέγιστο ρεύμα φόρτου να περνάει ένα ρεύμα από τη Zener τέτοιο ώστε αυτή να εργάζεται αριστερά από το «γόνατο» VZO της χαρακτηριστικής.
Εξάλλου, όταν δεν υπάρχει φόρτος στα άκρα εξόδου του σταθεροποιητή, όλο το ρεύμα του σταθεροποιητή θα περνά μέσα από τη Zener. Κατά συνέπεια, η αντίστοιχη ισχύς απωλειών της Zener (που είναι τότε μέγιστη) θα είναι:
(Θεωρούμε αμελητέα τη δυναμική αντίσταση της Zener, rz=AVz/AIz).
Η εκλογή της Zener, εκτός από την κατάλληλη τιμή της τάσης Vz=V0 πρέπει να βασίζεται και στην παραπάνω μέγιστη ισχύ απωλειών. Οι συνήθεις ισχείς απωλειών των μικρών Zener είναι της τάξης των 400 mW, αλλά υπάρχουν και Zener μεγάλης ισχύος που φτάνουν μέχρι τα 10 W. Όπως όμως θα δούμε στη συνέχεια, αποφεύγουμε συνήθως τις Zener μεγάλης ισχύος για σταθεροποίηση.
8.8.3 Σταθεροποίηση με Μεγάλο Ρεύμα Φόρτου
Τις περισσότερες φορές στην πράξη, το ρεύμα φόρτου χρειάζεται να είναι μεγάλο. Θα πρέπει λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε Zener μεγάλης ισχύος. Αντί όμως, να υιοθετήσουμε αυτή τη λύση, που το κόστος της είναι μεγάλο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια Zener μικρής ισχύος κι ένα τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ακόλουθου τάσης (CC), Σχ. 8.17, γεγονός που θα δώσει ρεύμα εξόδου αυξημένο κατά το συντελεστή hFE.
Σχήμα 8.17. Σταθεροποίηση με Zener και με τρανζατορ (CC)
Το τρανζίστορ εκλέγεται, ώστε η λειτουργία του να βρίσκεται μέσα στα όρια των απωλειών ισχύος του. Η δίοδος Zener επιλέγεται για την επιθυμητή τάση εξόδου Vo, με βάση τη σχέση:
Παράδειγμα 8-3
Θα υπολογίσουμε ένα σταθεροποιητή τάσης της μορφής του Σχ.8.17, με V0 = 7.5 V, IL = 30 mA και τάση εισόδου V = 17.5 V, που προέρχεται από την έξοδο του φίλτρου εξομάλυνσης.
Από τα χαρακτηριστικά του κατασκευαστή μπορεί κανείς να διαπιστώσει ότι τα παραπάνω στοιχεία λειτουργίας είναι μέσα στα όρια λειτουργίας του τρανζίστορ. Αρα η δοκιμαστική επιλογή του τρανζίστορ BFY50 αποδεικνύεται επιτυχής.
8.8.4 Βελτίωση της Σταθεροποίησης με Ανασύζευξη
Η σταθεροποίηση της τάσης εξόδου ενός τροφοδοτικού μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο εάν στο προηγούμενο κύκλωμα χρησιμοποιήσουμε έναν ενισχυτή, που θα συγκρίνει την τάση αναφοράς που δίνει μια Zener με ένα κλάσμα (δείγμα) της τάσης εξόδου.
Το δείγμα αυτό ανατροφοδοτείται προς την είσοδο του ενισχυτή, αφού υποστεί σύγκριση προς την τάση της Zener, Σχ.8.18α. Στο πρακτικό κύκλωμα, Σχ.8.18β, το κύκλωμα λήψης του δείγματος είναι ένας διαιρέτης τάσης, ενώ η τάση αναφοράς είναι απ' ευθείας η τάση Zener. Το τρανζίστορ Τ2 είναι το στοιχείο ενίσχυσης, ενώ το τρανζίστορ Τ1 είναι συνδεσμολογημένο ως ακόλουθος τάσης (CC).
)
Σχήμα 8.18. Κύκλωμα σταθεροποίησης με ανασυζευξη:
Αρχή λειτουργίας (α), πρακτική μορφή (β)
Επειδή το ρεύμα της Zener είναι σχεδόν αναξάρτητο από το ρεύμα του φόρτου, η σταθεροποίηση του κυκλώματος αυτου είναι πολυ καλή.