Нужен он, не поверите, для стабилизации напряжения.
Практически любая электронная схема и любое электрическое устройство работает как задумано только в сравнительно узком диапазоне напряжений питания. Немного меньше - оно просто не заработает. Немного больше - оно может выйти из строя. Не говоря уж о том, что многие схемы по жизни должны работать при стабильном напряжении - например, схемы развертки кинескопа. Нестабильность напряжения питания приводит к геометрическими искажениям растра.
Вторая причина, по которой нужна стабилизация, - что в сети напряжение переменное, а для работы электроники нужно постоянное. Значит, где-то по дороге должен стоять выпрямитель. А значит, надо избавиться от пульсаций выходного напряжения, снимаемого с выпрямителя. Фон, который иногда можно слышать из дешёвых колонок, - как раз проявление недостаточно эффективного подавления пульсаций выпрямленного напряжения.
Меж тем напряжение в сети может скакать по куче разных причин. От попадания молнии или магнитной бури до перегрузки сети или короткого замыкания где-то в соседнем квартале. Даже и для автономных устройств, напрямую к сети не подключённых, скачки напряжения тоже возможны (мне приходилось чинить девайсы, питавшиеся от аккумулятора автомобиля, после того, как этот автомобиль заводили, не отключив девайс...).
Вот для того, чтобы при колебаниях "главного" напряжения питания вторичное напряжение, поступающее на тот или иной узел цепи, не изменялось, и нужны стабилизаторы. В хорошей аппаратуре их может быть даже несколько.
Как устроен: ну тут можно целую книгу накатать...
В простейшем случае стабилизатор можно представить себе как делитель напряжения, в котором на "верхнем" элементе избыток напряжения гасится, так что на "нижнем" (на нагрузке) поддерживается фиксированное и стабильное напряжение. Самый простой вариант - параметрический стабилизатор, когда делитель напряжения - резистор и стабилитрон. Напряжение на стабилитронех чисто по физике его работы весьма незначительно зависит от тока через него (в определённых пределах тока), поэтому и напряжение на нагрузке, подключённой параллельно стабилитрону, тоже почти не будет меняться.
Но параметрический стабилизатор, хоть он и прост, практически не применяется, в силу многих причин (это уже офф-топик). Куда чаще применяются обычные линейные стабилизаторы компенсационного типа. Это по сути тоже делитель напряжения, но тут уже "верхнее" плечо делителя выступает как своего рода переменное сопротивление: доля напряжения питания, падающая на этом плече, динамически изменяется так, чтобы поддерживать неизменное напряжение на нижнем (на нагрузке). Это достигается за счёт отрицательной обратной связи, снимаемой с выходного напряжения стабилизатора. Выходное напряжение или его часть сравнивается с опорным высокостабильным напряжением (вот тут может сгодиться и параметрический стабилизатор), и сигнал рассогласования управляет регулирующим элементом.
По такой схеме выполнены все микросхемы серии КР142, в просторечии "кренки".
Но при всех достоинствах у линейных стабилизаторов есть и фундаментальный недостаток: кпд. Чисто из принципа действия понятно, что часть мощности, и подчас значительная часть, рассеивается на регулирующем элементе. Оно, может, и незаметно для одного устройства... но представьте себе парк телевизоров в масштабе страны. То есть несколько электростанций должны были бы просто подогревать окружающую среду... Или, второй случай, устройства с батарейным питанием, когда батарейка, к примеру, 3,7 вольта, а процессору надо 1,1 вольта. Что, две трети терять просто так?
Поэтому наряду с линейными стабилизаторами применяются и импульсные (ключевые). В них регулирующий элемент работает не в линейной режиме, а в ключевом: открыт - закрыт. Ясное дело, что мощность, им рассеиваемая, тут резко снижается: либо через него не течет ток, либо на нем не падает напряжение (в открытом состоянии).
Понятно, что на выходе такого плеча напряжение тоже импульсное: либо полное напряжение питания, либо ноль. Чтобы на выходе стабилизатора получить постоянное напряжение, нагрузка подключается через LC-фильтр. Нужное выходное напряжение получается за счёт динамического изменения скважности импульсов, обычно их длительности при фиксированной частоте (широтно-импульсная популяция, ШИМ).
Дополнительные достоинства ключевых стабилизаторов, помимо высокого кпд, - возможность получить выходное стабилизированное напряжение большее, чем напряжение питания, или даже противоположного знака. Но самое главное, едва ли не столь же важное, как высокий кпд, - отсутствие сетевого трансформатора. Собственно, поэтому такие стабилизаторы и называются "бестрансформаторным<wbr />и". Это не совсем точное название, потому что часто там трансформатор тоже используется, но стоит он после выпрямителя, а не до. На ключевой элемент подаётся полное выпрямление напряжение. Поскольку частота переключения там десятки и сотни килогерц, то пропорционально можно уменьшить и физические размеры (объём) сердечника.
И отдельное дело - стабилизаторы переменного напряжения. Там тоже целое искусство, ведь такой халявы (с точки зрения схемотехники), как на постоянном токе, уже нет. Вариантов несколько: электромашинный генератор, когда первичное напряжение подаётся на электро мотор я а вторичное снимается с генератора. Стабилизация обеспечивается регулировкой тока подмагничивания в генераторе. Или инверторный тип, когда первичное напряжение преобразуется в постоянное, а уже от этого постоянного и стабильного - см. выше как - напряжения работает инвертор, превращающий его опять в переменное. Так устроены все источники бесперебойного питания. Или же моо соорудить компенсационную схему, где в качестве верхнего плеча используется дроссель, индуктивностью которого можно управлять, меняя ток подмагничивания. Или, если можно забить на синусоидальность (в нагревателях - там по фигу какая форма напряжения важно лишь поддерживать эффективное значение), можно обрезать часть синуса тиристорной схемой. Это своего рода аналог ключевой стабилизации на постоянном токе.
