מבוא למייצבי מתח לינארים - Linear Regulators 101 - מדריך למתחיל

שלום לחברי הפורום,

בעקבות מספר דיונים שהיו בפורום בעבר הלא רחוק החלטתי לרשום מדריך בסיסי לנושא של ספקי כח מיוצבים. המטרה היא להקנות לאנשים שלא ממש מתמצאים בתחום מעט הבנה בסיסית ויכולת לנתח\לתכנן מעגלים שכאלה ברמה לא פחות טובה (ולעיתים יותר טובה) מרוב הדברים שנמכרים באיביי על ידי כל מניי מוכרים סיניים למיניהם.

לצערי הרבה דברים שרציתי לכלול אינם נכללים כיוון שהבנתי שהם לא יתאימו לרמה של הטקסט וידרשו יותר מדיי יידע מוקדם, לכן הזכרתי חלק מהם אך לא התעמקתי בהם. כמו כן, באורך של כ-30 עמודים, לא מדובר על קריאה זריזה של כמה דקות.

תוכן העניינים הוא:

1. ראשית דברים

2. מבוא לספקי כח בסיסיים

2.1. מבנה ספק כח בסיסי

2.2. מה הופך ספק כח לספק טוב, מאפיינים של ספקי כח

3. מילה על ספקי כח ממותגים

4. מבנה בסיסי של מייצב לינארי ומייצב מוכן אל מול תכנון מייצב לבד

5. אבני הבניין של המייצב הלינארי

5.1. יצירת מתח רפרנס

5.2. מגבר השגיאה

5.3. טרנזיסטור המעבר ומעגל הדחיפה

5.4. הגבלת זרם

6. תכנון מייצבי מתח בסיסיים

6.1. דיודת זנר + מכפל קיבול

6.2. שימוש במייצב IC כדוגמת LM317

6.3. מייצב מבוסס מגבר שרת

6.4. מילה על מייצב דיסקרטי לחלוטין

7. מעגלים מעניינים ומעגלים שימושיים

7.1. הוספת טרנזיסטור מעבר למייצב IC

7.2. LM317 כמקור זרם קבוע

7.3. חיבור טורי של זוג מייצבים

7.4. Shunt Regulator

8. תכנון מעגל מבוסס LDO, בחירת קבלים נכונה

הקובץ מצורף בפורמט PDF. אני מקווה שהמידע הזה יועיל לכמה שיותר אנשים. אשמח לקבל פידבק בין אם הוא חיובי, ובין אם הוא בנוגע לדברים שיש לתקן/לשנות (ב-30 עמודים יכול מאוד להיות שפיקששתי איפשהו).

בעתיד אני מקווה להוסיף גם מדידות של ספקי כח מסוגים שונים בכדי לתת מושג בנוגע לטיב הייצוב שלהם, אך הדבר ייאלץ לחכות עד שיהיה לי זמן להשקיע בכך.

עריכה: הקובץ עודכן (בתאריך 13.1.12) עם מספר שינויים קלים. עיקר השינויים הם מספר תיקונים של "פקשושי מקלדת", ניסוח מעט שונה בנקודה או שתיים, והחלפה של חלק מהסכימות בעותק ברור יותר לנוחות הקריאה. הקובץ החדש הוא LR101_v2.pdf.

מאחר והקבצים באתר נמחקים אחרי זמן מה, אני שם קישור לקובץ ששמור ב-Dropbox שלי:

https://dl.dropbox.com/u/37472979/LR101_v2.pdf

עריכה:

הוספתי בעמוד השני של הדיון הזה (הודעה #15) מידע רלוונטי למי שמשתמשים במייצבים עם מכפלי קיבול (שלא כוללים דיודת זנר במקביל למכפל הקיבול) - זה רלוונטי להרבה מהמייצבים המוכרים בתחום ה-DIY audio.

עריכה2: בהמשך לפוסט שהוספתי (#15) - עכשיו אחרי הדיון הזה ומה ש-AMB הוסיף שם נראה ש-AMB יכלול את התיקון שתכננתי למעגל הזה בגרסאות עתידיות של ה-Sigma11/22.

וואוו! מרשים ביותר! תודה רבה על ההשקעה!

כל הכבוד על השקעה האדירה שלך

סחטיין על ההשקעה. לא רואים הרבה דברים כאלו בפורומים ישראלים (או בכלל).

בהחלט מאמר מאוד מושקע!

שווה לקרוא כמה פעמיים נקודות מסיומת במאמר.

יפה. רפרפתי. אני אמצא זמן לעבור עליו ביסודיות ולתת הערות בונות

תודה על הפידבק. הכתיבה ארכה לא מעט זמן, והמטרה היא שהטקסט יועיל לכמה שיותר אנשים. בין אם המאמר הנ"ל יהיה מקור המידע הכמעט יחיד שהם יקראו או שידחוף אותם להמשיך ולהתעמק בנושא (שזו אחת המטרות של המושגים הרבים ששזורים בטקסט, ורשימת המקורות בסיומו).

כפי שציינתי, אני מקווה מאוד שבעתיד הלא רחוק יהיה לי מספיק זמן פנוי כדי לבדוק מספר ספקים ולצרף את התוצאות של המדידות. מידע שכזה יהיה מועיל מאוד למי שמתלבט איזה ספק לבנות.

וואו כמה השקעה, כל הכבוד !

ואו !

עדיין לא עברתי אליו, אני אעבור מתישהוא בהמשך ונראה אם יש מה להוסיף

מאמר מעולה!

תודה לך!!

באותו עיניין, יש את הסירטון הזה:

ערוך בצורה מובנת מאוד. לדעתי הוא יכול להיות חומר משלים מצויין למאמר.

אם כבר סרטונים:

פתחתי דיון נוסף שקשור למייצבי מתח (לינק),.כרגע אני לא מוסיף את המעגל הזה לקובץ ה-PDF, אך הוא בהחלט הזדמנות למתחילים בתחום לראות מייצב מתח שבנוי בצורה קצת שונה מהמבנה הסטנדרטי.

עשיתי השבוע צעד נוסף לקרת המדידות שאני רוצה לעשות, וסיימתי לבנות את ה-LNMP. למי שלא מכיר ה-LNMP הוא קדם מגבר עם הגבר של 60db, רוחב פס של 100KHz (למי שמעוניין לקרוא קצת על הסיבה לכך יכול לעבור על ה-app-note הזה), וקבל צימוד בכניסה (בכדי להוריד את ה-DC). מדובר על מכשיר שתוכנן למדידות של ripple במוצא ספקי כח לינאריים שהוא בסדר גודל שגם DMM איכותי יתקשה להגיע אליו.

לצערי לא ניתן להשוות ישירות תוצאות שאני אקבל במדידות שלי לתוצאות שאנשים אחרים יקבלו במדידות שלהם עקב הבעייתיות הרבה של המדידות הללו:

1- ה-LNMP מגביר פי 1000, משמע יש להכניס 1mV בכניסה ולכייל את ההגבר לקבלת 1V במוצא. לכייל 1mV במוצא זה ממש לא פשוט, במיוחד כשעכבת הכניסה של ה-LNMP היא כ-100ohm ונדרש שם מעגל אקטיבי ולא סתם מחלק מתח עם נגדים גדולים (שקל למדוד).

2- המדידה תלויה מאוד ב-DMM שמחברים למוצא של ה-LNMP. גם אם משתמשים במכשירים עם דיוק דומה, ישנה השפעה רבה לרוחב הפס של המודד, ולצערנו הנתון הזה הוא לא משהו שניתן לסמוך עליו (בדר"כ יצרנים לא אמינים מזייפים למעלה, ויצרנים אמינים נותנים מספרים נמוכים מדיי ואז ניתן לקבל מדידה שכוללת גם תדרים גבוהים מהמצופה).

3- מדידה של אותות קטנים כל כך (סדר גודל של עשרות uV לכל היותר) רגישה מאוד להפרעות מהסביבה. המצאות בסמוך לכבל של 220V יכולה לשנות את המדידה באופן משמעותי.

יחד עם זאת אני חושב שזה מעולה שיהיה לי כלי כזה בכדי שאני אוכל להשוות בין מספר מייצבים. זו מדידה חשובה מאוד שקשה לעשות ללא הכלי הזה.

מאז צילום התמונה נעשו כמה שינויים כמובן. הוספתי את המגברים לדרגה הראשונה והשנייה, הוספתי זוג פינים לג'אמפר במשוב של הדרגה השלישית בכדי שניתן יהיה לעבור בין הגבר של 60db לשל 40db, והחלפתי את קבל הצימוד בכניסה לקבל של 470/50 במקום 470/35 שהיה שם עד כה. לצערי הוא גבוה מדיי למארז ולכן נאלצתי להשכיב אותו (טוב שיש מספיק מקום פנוי לשם כך ).

[attachment deleted by admin]

אני רוצה להוסיף לדיון הזה קישור לדיון רלוונטי בפורום אחר בחו"ל (מקווה שאין בעיה עם אנגלית ). הדיון ההוא שפתחתי לפני כמה ימים מתאר בעיה כלשהי שישנה עם מכפל הקיבול שהרבה מייצבי מתח דיסקטיים משתמשים בו.

מדובר בטופולוגיה שמשתמשים בה בהרבה מאוד מייצבים מאוד נחשבים בתחום האודיו, בעיקר בתחום ה-DIY. עם זאת נראה שישנה בעיה כלשהי עם הטופולוגיה הזו שהמתכננים של המעגלים לא ממש התייחסו אליה, והיא פוגמת באופן מורגש בביצועים של המייצבים כאשר הם נמצאים תחת עומס גבוה יחסית (הערך המדויק של עומס גבוה תלוי מאוד בכמות הקיבול שיש בכניסה למייצב).

זו בעיה שהבחנתי בה לפני לא מעט זמן ולכן לא השתמשתי במעגל הזה במייצב שתכננתי, אבל עד היום הייתי עצלן מדיי לשבת ולכתוב את זה. הסיבה היא בעיקר שכשאני יושב לכתוב את זה אני חייב לבסס את זה על סימולציות ותוצאות מדידה - אחרת אין טעם להציג את זה כי זה סתם יעורר ויכוח ולא יהיה אינפורמטיבי כפי שאני רוצה שזה יהיה.

בכל מקרה, בקישור הזה, אני מציג קצת רקע למעגל הזה והמטרה שלו (כדי שגם מי שאינו מבין הרבה באלקטרוניקה יבין על מה מדובר), לאחר מכן מציג את הבעיה + סימולציה שמציגה את זה בצורה גרפית, ולאחר מכן אני מציג פיתרון לבעיה הזו על ידי תוספת שני רכיבים למעגל. לבסוף אני מציג שם תוצאות מדידה עם מגבר דל-רעש למדידת ה-ripple ביציאה + תמונות מהסקופ שמציגות כי תוצאות המדידה בפועל זהות לתוצאות הסימולציה לחלוטין. כל המדידות התבצעו על ספק מוכר מאוד בתחום שהרבה מאוד אנשים משתמשים בו (כולל גולשים בפורום הזה) - אני מעדיף לא לנקוב בשמו של המייצב פשוט כי הוא תוכנן על ידי מישהו אחר ולכן זה לא יהיה מנומס להשתמש בו כשפן נסיונות, וגם כי מדובר בבעיה שתהייה משותפת לכל המייצבים שמשתמשים בטופולוגיה הזו (מכפל קיבול שמנסה לבאפר את מתח ה-DC בכניסה - ולא מכפל קיבול + דיודת זנר כפי שמוצג במאמר בראש הדיון הזה - במעגל של דיודת הזנר אין את הבעיה הזו). למי שמתבלבל מכל המילים עדיף פשוט להיכנס לדיון ולראות את השרטוטים והכל יהיה ברור.

אגב, נקודה נוספת לטובת המעגל הזה היא שלמרות שמבחינת DC הוא אולי פוגע ב-dropout של המייצב כי הוא מגדיל אותו, בפועל הוא יכול לשפר אותו. הסיבה היא שהוא טוען את מסלול הזרם הנמוך (הספק של מגבר השגיאה) למתח המקסימלי שיוצא מהשנאי (פחות מתח הדיודה), ומאפשר נפילת מתח מוגבלת מאוד של 0.5V בלבד במתח הזה, כך שמתח הכניסה למייצב כולו יכול ליפול מתחת למתח הזה ומגבר השגיאה לא ירגיש זאת. זה כמובן בהנחה שהגורם המגביל את מתח ה-dropout הוא אכן המסלול של מגבר השגיאה, וברוב המייצבים הדיסקרטיים זהו אכן המצב. כך שבסך הכל מדובר על מצב של win-win, והמייצב שבו השתמשתי לבדיקות עבר את המודיפיקציות וכעת פועל בצורה הזו. המשמעות של זה היא כמובן שאפשר להשתמש בקיבול כניסה קטן יותר, או לחלופין לאפשר זרם מוצא גדול יותר עם אותו הקיבול מבלי שהמייצב יאבד רגולציה. תוצאות סימולציה של גרסא מעט מפושטת של המייצב אותו מדדתי מראות כי זרם המוצא המקסימלי עם קיבול כניסה של 3300uF לפני שמאבדים רגולציה עלה מערך של כ-1A לערך של כ-2A. זה קורה פשוט כי עכשיו המתח על פני הקבל הגדול בכניסה יכול ליפול הרבה יותר נמוך והמייצב עדיין יתפקד כמצופה עם מתח גבוה מספיק באספקה של מגבר השגיאה.

על הדרך גם ניצלתי את ההזדמנות כדי לשרטט גרסא חדשה של המייצב שהצגתי כמה הודעות מעלה, הוא כולל כעת את מכפל הקיבול המשופר + שינוי נוסף שמוריד את ה-Dropout שלו בערך ב-1-1.5V על ידי תוספת של זוג טרנ'. אולי יום אחד יהיה לי גם כח לתכנן את הבורד של המעגל החדש ולשלוח אותו לייצור

והקישור לדיון המדובר (למי שפספס במהלך ההודעה הארוכה הזו):

http://www.head-fi.org/t/679501/whats-w ... e-improved

כרגע אני לא מוסיף את זה למאמר "מבוא למייצבי מתח לינאריים" בתחילת הדיון, אך במידה ואני אגיע למסקנה שזה רלוונטי אני אמצא את הזמן לתרגם את זה לעיברית ולהוסיף זאת.

תודה על התוספת המרתקת.

התחלתי לקרוא ומצאתי את זה יותר מדי מעניין מכדי לרפרף. אני אקדיש לזה זמן ואכתוב את הערותי