מבוא למייצבי מתח לינארים - Linear Regulators 101 - מדריך למתחיל

[anatoli15]

שלום לכולם,

אומנם אני לא כותב הרבה בפורום, אבל החלטתי לחלוק את המדריך הזה עם שאר חברי הפורום כיוון שלדעתי יש בפורום DIY אנשים שהנושא מעניין אותם.

המדריך כבר פורסם בעוד פורום או שניים בנושא זה, ולכן אני פשוט אעתיק את תוכן הפוסט משם

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.

...

כיוון שלא ניתן לצרף קבצי PDF בגודל שכזה לפוסט זה, אני אתן לינק לדרייב:
https://drive.google.com/file/d/0B7MaQ2 ... sp=sharing
עריכה:
הוספתי בפוסט #14 מידע נוסף שרלוונטי למי שמשתמש במייצבים מבוססים מכפלי קיבול, רלוונטי מאוד להרבה מייצבים מתחום ה-DIY audio.
עריכה2: עכשיו אחרי הדיון הזה ומה ש-AMB הוסיף שם נראה ש-AMB יכלול את התיקון שתכננתי למעגל הזה בגרסאות עתידיות של ה-Sigma11/22.
עריכה3:
ואכן השינוי הזה כבר נכנס ל-sigma22, ואני מניח שבעתיד הלא רחוק גם ל-sigma11 (אפשר לקרוא באתר של AMB ).

[truejoker]

אמנם החומר הוא טכני מידי עבורי , אבל כול הכבוד על ההשקעה , ועל הרצון לשתף

[valer_valer]

יישר כוח

[partner11]

כל הכבוד, למרות שהוא מאד טכני אנסה את מזלי:)

[yuria]

מאמר מעולה .במיוחד לאנשים בעלי רקע באלקטרוניקה ואני בניהם

[anatoli15]

תודה.

כפי שרשמתי המטרה היא ללמד אנשים שלא ממש חזקים בתחום, מהן הנקודות הבסיסיות. נדרש קצת ידע מוקדם (מזה מתח, זרם, נגד, דיודה, טנזיסטור וכו'), אבל לצערי להסביר את הדברים האילו ייקח המון זמן ויש לא מעט מקורות טובים למידע הזה ברשת.

[yosiaz]

תודה רבה !
חומר מצויין לשפיכת אור על הנושא ואף מעבר
החכמתי

[dhead666]

תודה רבה וכל הכבוד על הזמן שטרחת לכתוב את המדריך.
בסמסטר הבא אלמד לינאריים ואז זה יהיה מאוד רלוונטי בתור העשרה.

[tnsilver]

אנטולי - המון תודה. מאמר מרתק עם מתודולוגיה בריאה מאוד. ראשי פרקים מסודרים להפליא ודוגמאות מצויינות. לא קראתי מאמר כזה בעברית אף פעם (בפועל לא קראתי מאמר בנושא בשום שפה מאז האוניברסיטה) והטרמינולוגיה בעברית ממש עזרה לי. כל הכבוד על ההשקעה ושוב תודה. אם יש לך עוד מאמרים, משלך, כמו זה, הייתי שמח לקרוא. תודה.

[anatoli15]

תודה לכולכם על הפידבק החיובי, זה בהחלט משמח אותי לראות שאנשים קוראים את המאמר ומוצאים אותו מועיל.

לצערי אין לי עדיין מאמרים נוספים בסדר גודל כזה. במידה ויהיה משהו בעתיד כמובן שאחלוק אותו עם חברי הפורום.

אם תרצה לקרוא משהו קצר בנושא הנ"ל (מייצב מתח נוסף), אתה מוזמן להיכנס לקישור הזה:
http://www.head-fi.org/t/588488/a-simpl ... the-diyers
זה תכנון של מייצב מתח מאוד בסיסי שתכננתי בערך בתקופה שכתבתי את המאמר המדובר.
אני לא אפרט יותר מדיי על המעגל הזה, אך אני מרוצה מהתוצאה. כרגע אני מחכה ללוחות המודפסים של הגרסא הסופית שלו (פחות או יותר מה שמופיע בסכימה האחרונה בקישור). אני מקווה שתוך שבוע הלוחות החדשים כבר יגיעו אליי.

[yairf]

אנטולי - יופי של מאמר, כתוב היטב, תמציתי וברור.
אני ממליץ לך בחום לעבור על המאמרים הקלאסיים בתחום של Walt Jung שהיה הראשון שהתייחס לפרמטר הכביכול זניח של ספקטרום הרעש של מייצבי מתח שונים, וההשפעה שלו על רכיבי Audio. מסתבר שלמדוד Ripple Rejection של ספק כח, הנו תנאי הכרחי אבל לא מספיק, וזו גם הסיבה מדוע השימוש בדיודות זנר הוא "מוקצה" בתחום האודיו. בנוסף, זו גם הסיבה שמייצבי מתח דיסקרטיים, הם בעלי פוטנציאל תאורטי גבוה בהרבה ממייצבי מתח מוכללים בעלי מעגל משוב קונוונציונלי (בתנאי שאין בהם זנרים )
בהצלחה, יאיר

[s3t]

למייצבים יש 2 תפקידים,
1. לנקות את המתח כניסה, כלומר PSRR.
2. לתת מתח מייוצב עם התנגדות מוצא חלקה, כלומר load regulation.

בניקוי מתח כניסה וייצוב שלו - LM קלאסיים די מסתדרים, במיוחד כשמוסיפים קצת CRCRC בכניסה.
אך התנגדות מוצא שלהם ממש על הפנים. היה גם לא חלקה, וגם אשראותית, שבתוספת קבל bypass יוצר רזוננסים בהתנגדות מוצה, עד לאוסציללאציא של הLM. כאן shunt regs מצטיינים בכבוד, ובגלל כך הם די טובים לאודיו. בנוסף, צריכת זרם לshunt regs היה קבוע, ועכב כך איש הרבה פחות הפרעות ממוליכים של מתח.

לshunt regs מסובכים יש חיסרון די גדול (חוץ מעלות) - הם תופסים הרבה שטח על המעגל, ועכב כך אין אפשרות למקם אותם בצורה אופטימלית ליד כל צרכן - מה שמעלים את היופי שלהם עד לרמה, שLM פשוט מתנהג הרבה יותר טוב מshunt reg בומבסטי.

יש פתרון, שמכיל בתוכו יתרונות של שני עולמות - כזה:
http://overture.org.ua/?p=238

הוא מתנהג כמו shunt reg למתכי AC, וכמו LM למתכי DC. בעל התנגדות מוצא קבוע עד 1MHZ של 0.2אום, ולא אכפת לו מקיבול במוצא - הוא פשוט "משלים" את הקיבול bypass.
כמו כן, צריכת זרם כבועה.
והוא די קטן - כולו 2 טרנסיסטורים בTO92 + כמה נגדים\קבלים מסביב. חלק המייצב את המתח - ברוחב של TO92 ורגליים קצרות - מאפשר להתקרב לרכיב ברמה טובה מקבלים אלקטרוליטיים. אפילו בקושי נשאר מקום לSMT של 1206

[xbuka]

מאמר מעולה מאוד נהנתי לקרוא אותו

[anatoli15]

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.

[yanivol]

אנטולי,
תודה רבה על המאמר שהגיע עבורי בדיוק בזמן.

אני מתכנן בניית מגבר CLASS D שספק הכח שלו הוא SMPS - Switched Mode Power Supply והמאמר מבאר בדיוק את פערי המידע שהיו לי.

[anatoli15]

שמח לשמוע שזה עוזר לך, למרות שאני כתבתי שם מילים בודדות ביותר בנוגע ל-SMPS. אם אתה צריך גם לתכנן את ה-SMPS בעצמך (ואני מניח ומקווה שלא ), אז כנראה שתצטרך למצוא מקור מידע רלוונטי יותר לתחום הזה.

[yanivol]

אני קונה SMPS מוכן, אבל אני מעדיף להבין מה אני עושה.

[anatoli15]

עכשיו אחרי הדיון הזה ומה ש-AMB הוסיף שם נראה ש-AMB יכלול את התיקון שתכננתי למעגל הזה בגרסאות עתידיות של ה-Sigma11/22.

[yairf]

מכפל קבל עדיף להוסיף לפני המייצב, לא אחריו.

[anatoli15]

יצא לך להסתכל על הקישור?! זה בדיוק המצב, וזו בדיוק הבעיה.