מה עושים כשהרכיבים במעגל שלכם זקוקים למתח נמוך יותר, או גבוה יותר, ממה שמקור החשמל מסוגל לספק? הנה הסבר בסיסי על הרכיב שנקרא "מייצב מתח" (Voltage Regulator), מתי ואיך משתמשים בו, ומה כדאי לדעת כשבוחרים אחד כזה לפרויקט.

בטח שמתם לב לאי-התאמה מסוימת בין המתח הנקוב של מקורות חשמל נפוצים – סוללות חד-פעמיות, סוללות נטענות, מטעני קיר וכו' – לבין המתח הדרוש לרכיבים אלקטרוניים נפוצים. לדוגמה, מיקרו-בקרים מודרניים רבים זקוקים למתח של 3.3V, פלוס מינוס כמה אחוזים, אבל אין שום סוללה נפוצה שיכולה לתת מתח כזה בדיוק, לבדה או בכפולות. כמו כן, המתח של סוללות עשוי להיות בהתחלה גבוה קצת יותר מהנקוב, ולרדת משמעותית בהמשך. במערכות שאמורות להיות קומפקטיות במיוחד, גם המקום הפיזי מגביל אותנו מבחינת אופציות לסוללה – ובהתאם לזה, למתח הזמין.

למה לא דיודות?

לפני שנדבר על הפתרון הנכון, בואו נתייחס רגע לדיודות. כל מייקר מתחיל שמע באיזשהו שלב שהן לא רק מונעות מעבר של זרם בכיוון מסוים, אלא גם מפילות מתח. לדוגמה, הדגם הוותיק 1N4007 (שנמצא בקיט המתחילים הרשמי של ארדואינו) מפיל, לדברי ה-Datasheet, וולט אחד. אם כן, מישהו יכול להתפתות לקחת ארבע סוללות AA (סה"כ 6 וולט), לשים דיודה כזו בטור להן וכך לקבל 5V עבור מעגל מסוים. לא?

הבעיה עם דיודות (אם נסתכל ב-Datasheet בתשומת לב) היא שהמתח שנופל עליהן לא באמת קבוע אלא תלוי בזרם: כשהזרם חלש גם המתח שהן מפילות יורד. אם צרכן הזרם הוא, למשל, מיקרו-בקר שבדרך כלל לא מפעיל שום דבר מיוחד, הזרם הנצרך עלול להיות קטן כל כך שהמתח שנופל על הדיודה יירד בעשרות אחוזים, ואז המיקרו-בקר יקבל מתח גבוה מדי ויינזק. בנוסף, הפלת מתח על דיודות בזבזנית מאוד, ובזרמים גבוהים לאורך זמן עלולה לגרום להן להתחמם יותר מדי ולהישרף.

סוגים וסיווגים

הפתרון הנכון הוא מייצב מתח, ויש שני סוגים עיקריים: מייצב שמוציא מתח נמוך יותר ממתח הכניסה שלו (נקרא Buck או Step-down converter), ומייצב שמוציא מתח גבוה יותר ממתח הכניסה (Boost או Step-up converter). קיימים בשוק רכיבים שמשלבים את השניים, אבל הם נדירים יחסית ודרושים רק במקרים נדירים יחסית. בכל אופן חשוב לזכור שבשום מקרה אין ארוחות חינם: היעילות של המייצבים האלה מוגבלת, כתלות במתח הכניסה ובזרם הנצרך, ואפילו במקרה האופטימלי הם "מבזבזים" כ-5% מהחשמל.

למייצבי המתח יכול להיות מתח מוצא מוגדר מראש ("Fixed"), או ניתן לשליטה חיצונית ("Adjustable") שמתבצעת באמצעות פידבק, בדרך כלל ממחלק מתח. כל מייצבי המתח מחייבים מספר רכיבים חיצוניים כדי לפעול. במינימום – במייצבי Buck "לינאריים" פשוטים – מדובר על שני קבלים, אחד לכניסה ואחד ליציאה. במייצבים ממתגים ("Switching") מתווסף אליהם גם סליל (Inductor). הערכים המתאימים לכל הרכיבים הנוספים האלה מפורטים ב-Datasheet של המייצב, וחשוב לקרוא אותו בתשומת לב כי לעתים מדובר על טווחים של ערכים שמתאימים לשימושים שונים.

על מה חשוב להסתכל?

הפרמטר הראשון שנבדוק כשאנחנו בוחרים מייצב מתח למעגל הוא כמובן מתח המוצא, אבל מיד לאחר מכן חייבים לבדוק עוד שניים: 1) הזרם המקסימלי שהוא מסוגל לספק (Maximum output current, וכמובן שנרצה לקחת טווח ביטחון ולבחור משהו חזק יותר ממה שאנחנו באמת צריכים), ו-2) המינימום והמקסימום של מתח הכניסה. לדוגמה, יכול להיות מייצב Step-down ל-3.3V עם מתח כניסה מרבי 5.5V, שלא יוכל לעבוד עם סוללת 9V, ויכול להיות Step-up ל-5V עם מתח כניסה מינימלי של 2V שלא יוכל להסתדר עם סוללת AA יחידה. שימו לב למלכודת נוספת – הזרם המקסימלי שהמייצב יכול לתת תלוי לא רק בזרם שמקור החשמל יכול לתת, אלא גם במתח שלו.

פרמטרים נוספים, כגון "רעש" במוצא או נתוני התחממות, עשויים להיות חשובים גם כן, אך ברמת החובבים הם בדרך כלל פחות מעניינים אותנו.

מייצבי Step Down מפילים כאמור את מתח הכניסה. בחלק מהדגמים, במיוחד אלה הוותיקים, המתח שנופל יכול להיות די גבוה. זו הסיבה, למשל, לכך שממליצים לא להפעיל ארדואינו Uno עם ארבע סוללות AA אלקליין: הן יספקו 6V כשהן מלאות, אבל כשצריכת הזרם תהיה גבוהה, מייצב המתח שעל הלוח עלול להפיל יותר מוולט ולשבש כך את פעילות המעגל. בגלל בעיות כאלה המציאו ז'אנר שלם של מייצבי מתח מסוג Step-down, שנקראים LDO – ראשי תיבות של Low Drop-out, כלומר שמפילים מעט מתח. כמה זה מעט? תלוי בפרשנות של היצרן, וכמובן במתח ובזרם שבמעגל. בעיקרון, מדובר על סדר גודל של עשיריות וולט.

אם המערכת שאנחנו מפתחים צריכה לעבוד לאורך זמן רב על סוללות ולהיות חסכונית, יש עוד פרמטר חשוב: Iq, או Quiescent Current. בגדול, זהו הזרם שרכיב – במקרה זה, מייצב המתח עצמו – צורך כשאין עליו עומס. נניח שבמערכת שלנו יש מיקרו-בקר שנמצא כמעט כל הזמן במצב שינה, ובו הוא צורך 20 מיקרואמפר. אם נבחר מייצב מתח עם Iq של 1 מיליאמפר, המייצב לבדו יצרוך בעצם פי 50 מהמיקרו-בקר, ואורך החיים של המערכת בין החלפות סוללה יירד בהתאם.

כצפוי, יש תחרות עזה בין היצרנים בנושא ה-Iq. לדוגמה, ממש לא מזמן חברת STMicroelectronics הכריזה על מייצבי LDO חדשים עם Iq של כ-0.3 מיקרואמפר(!). הבעיה היא שפרמטרים כאלה באים כמעט תמיד על חשבון פרמטרים אחרים, ואין מייצב אחד שהוא הכי טוב: זו תמיד שאלה של איזון ושל פשרה בין דרישות המערכת ויכולות הרכיב. במקרה הצורך אפשר לשים במעגל גם יותר ממייצב אחד ולהפעיל או לכבות אותם לפי הצורך (יש דגמים עם פין Enable ייעודי). בכל מקרה חשוב לזכור שכאשר מגיעים לרמה של מיקרואמפרים, צריך להסתכל על מכלול הרכיבים במערכת, כי מכל אחד מהם עלול לזלוג זרם משמעותי הרבה יותר.

מייצבי מתח מגיעים במגוון עצום של מארזים, Through-hole ו-SMD, ולעתים קרובות מפורטות ב-Datasheets שלהם המלצות לפריסה (layout) של הרכיבים התומכים – שימושי וחשוב עבור אלה מאיתנו שמתכננים PCB. ובכלל, כמו בכל רכיב, רצוי מאוד להקדיש זמן ל-Datasheet: מסתתרים שם הרבה דברים שיכולים להיות חשובים ליישום שלנו.