כיצד להבין מפרטי ספקי כוח ליניאריים

מבוא למפרטי ספקי כוח: במבט ראשון, ספק כוח DC משתנה נראה כהתקן פשוט יחסית. אולם, זהו סוס-עבודה מתוחכם, מדויק וחסון-חשמלית. הוא צריך לספק בצורה אמינה מתח וזרם מדויק, יציב ונקי, ללא תלות בעכבת העומס הנמוכה או הגבוהה – התנגדותית, השראתית, קיבולית, למצב יציב או משתנה. עד כמה ספק הכוח ממלא את המשימה הזו והיכן הוא מגיע לגבולות מוגדרים במפרטים שלו. בחירת ספק כוח נכון עבור היישום שלך דורשת הבנה טובה של מפרטי ספק הכוח.

להלן מתוארים המפרטים עבור ספקי כוח ליניאריים. ספקי כוח ליניאריים הם עמידים ומדויקים ומספקים הספק בעל רעש נמוך. מנגנוני המשוב הפשוטים והישירים שלהם מספקים ייצוב עומס מצוין ויציבות כללית. איור 1 מראה את דיאגרמת הבלוקים המפושטת של ספק כוח ליניארי.

מפרטי ספק כוח ליניארי

דומה שקיים ריבוי מפרטים עבור ספקי כוח ליניאריים, אולם ניתן לרכז אותם בשלושה סוגים הגיוניים: דיוק ורזולוציה, יציבות, ומאפייני AC. נתאר את מפרטי המפתח של כל אחת מקבוצות אלה.

לרוב ספקי הכוח DC שני מודי פעולה. במוד המתח הקבוע  (Constant Voltage-CV), ספק הכוח מווסת את מתח המוצא בהסתמך על כיווני המשתמש.  במוד של זרם קבוע (Constant Current-CC)   ספק הכוח מווסת את הזרם. האם ספק הכוח נמצא במוד CV או CC תלוי לא רק בכיוונוני המשתמש, אלא גם בהתנגדות העומס. לספק כוח מפרטים שונים התקפים לפי המצב שהוא נמצא, במוד CV או CC.

דיוק ורזולוציה

בכל זמן נתון, הן המתח והן הזרם מיוצבים על-ידי ספק הכוח ותואמים את כיוונונים במסגרת דיוק המכשיר.

 במוד CV, מתח המוצא תואם את כוונון המתח בתוך מפרטי הדיוק של המכשיר. הזרם נקבע על-ידי עכבת העומס.

 במוד CC, זרם המוצא תואם את כיוונוני גבולות הזרם. המתח נקבע על-ידי עכבת העומס.

בעבר, המשתמש בספק כוח DC עשה שימוש בפוטנציומטרים כדי לקבוע את מתח או זרם המוצא. כיום, מיקרו-מעבדים מקבלים את המבוא מממשק המשתמש או מממשק מרוחק. ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC) מקבל את הכיוונון הדיגיטלי ומתרגם אותו לערך אנלוגי המשמש כייחוס עבור הווסת האנלוגי. רזולוציית הכיוונון וערכי הדיוק נקבעים על-ידי איכות ההמרה ותהליך הויסות.

לכל אחד מכוונוני המתח והזרם (הנקראים לעתים גבולות או ערכים מתוכנתים) מפרטי  רזולוציה ודיוק הקשורים אליהם. הרזולוציה של כיוונונים אלה קובעת את השינוי המזערי לפיו ניתן לכוונן את המוצא, והדיוק מתאר את המידה בה ערך המוצא תואם לתקנים הבינלאומיים. יש להתייחס בנפרד לכיוונון וקריאה של המפרטים. ביצועים טובים של דיוק הקריאה אינם מחייבים בהכרח ביצועים טובים בכיוונון הדיוק.

רוב ספקי הכוח DC מספקים מודדים מובנים למדידת המתח והזרם. המודדים מודדים את המתח והזרם המסופקים על-ידי מוצא ספק הכוח. מאחר שהמודדים מחזירים את קריאות המתח והזרם אל ספק הכוח, המדידות המופקות על-ידי המודדים מכונים לרוב ערכי קריאה חוזרת (readback). רוב ספקי הכוח המקצועיים כוללים מודדים דיגיטליים המשתמשים בממירים אנלוגי-לדיגיטלי, ועבור מכשירים פנימיים אלה המפרטים הם דומים לאלה של רב-מודד דיגיטלי. ספק הכוח מציג ערכי מדידה בחזית שלו והוא יכול גם להעביר אותם אל הממשק המרוחק שלו, אם הוא מצויד באחד כזה.

כיוונון הדיוק

כיוונון הדיוק קובע עד כמה קרוב הפרמטר המיוצב אל הערך התיאורטי כפי שהוגדר על-ידי תקן בין-לאומי. אי-הוודאות במוצא בספק כוח נגרמת בעיקר בשל איברים שגויים ב-DAC, כולל שגיאת הכימוי (quantization). כיוונון הדיוק נבדק על-ידי מדידה של המשתנה המיוצב בעזרת מערכת מדידה בת-עיקוב, מדויקת המחוברת למוצא ספק הכוח. כיוונון הדיוק ניתן על-ידי: ± (% הכיוונון+ההיסט)

לדוגמה, לספק הכוח 2200-32-3 של Keithley יש מפרט דיוק כיוונון המתח של . מכאן, כאשר הוא מכוונן לספק 5 וולט, אי-הוודאות בערך המוצא היא ) או 4.5mV. דיוק כיוונון הזרם מפורט ומחושב באופן דומה.

כיוונון הרזולוציה

כיוונון הרזולוציה הוא השינוי הקטן ביותר בכיוונון המתח או הזרם הניתן לבחירה בספק הכוח. פרמטר זה מכונה לעתים רזולוציית התכנות. מפרט הרזולוציה מגביל את מספר הרמות הדיסקרטיות שניתן לבחור. לעתים קרובות, דבר זה מוגדר על-ידי צירוף של ספרות בממשק המשתמש הזמינות ועל-ידי מספר הביטים הזמינים ב-DAC. ל-DAC בעל יותר ביטים בקרה עדינה יותר של המוצא שלו ומסוגל לספק יותר ערכים דיסקרטיים עבור חוג הבקרה לשימוש בתור ייחוס. אולם, עם התיקונים עבור שגיאות היסט ושבח, תתקבל פחות רזולוציה מזו אשר מספר הביטים ב-DAC היה מרמז.

שינוי הכיוונון בצעד אחד של רזולוציה עשוי לא לגרום לעתים לשינוי דומה במוצא. אולם, מפרט דיוק הכיוונון שולט על הקשר בין הכיוונון והמוצא, ומכשיר מכויל אמור לפעול בתוך אפיצות זו.

רזולוציית הכיוונון ניתנת לביטוי כערך יחידה מוחלט או כאחוז מהסקאלה המלאה. לדוגמה, רזולוציית כיוונון המתח ב-2200-32-3 של Keithley היא 1 מילי-וולט ורזולוציית כיוונון הזרם היא 0.1 מילי-אמפר.

דיוק הקריאה החוזרת

דיוק הקריאה החוזרת מכונה לעתים דיוק המודד. הוא קובע כמה קרובים הערכים המדודים פנימית אל הערך התיאורטי של מתח המוצא (לאחר שכיוונון הדיוק בוצע). כדוגמת רב-מודד דיגיטלי, דבר זה נבדק תוך שימוש בסטנדרט ייחוס בר-עקיבה. דיוק הקריאה החוזרת מבוטא על-ידי:

 ( % מהערך הנמדד+ ההיסט)

רזולוציית הקריאה החוזרת

רזולוציית הקריאה החוזרת היא השינוי הקטן ביותר במתח או בזרם המוצא שנמדד פנימית אשר ספק הכוח מסוגל להבחין בו. הוא מבוטא לרוב כערך מוחלט, אך ניתן לבטאו גם כאחוז מהסקאלה המלאה. רזולוציית הקריאה החוזרת של מתח ב-2200-32-3 של Keithley היא 1 מילי-וולט ורזולוציית כיוונון הזרם היא 0.1 מילי-אמפר. ראה איור 2.

שימוש בחישה מרחוק לשם דיוק מתח טוב יותר

מפל מתח בכבלים המעבירים זרם בין ספק הכוח וההתקן הנבדק (device under test – DUT)  פירושו שהמתח ב-DUT הוא פחות מהמתח בקצות המוצא של ספק הכוח. שימוש בחוטים עבים יותר יקטין את מפל המתח בחוטי הבדיקה בכל ספק כוח. גם שמירה על כבלים קצרים ככל האפשר עשויה לעזור. מספק כוח מצויד ביכולת של חישה מרחוק, שימוש בחיבור בעל ארבעה מוליכים עשוי להבטיח שהמתח שאתה מכוונן בספק הכוח הוא אכן המתח שמקבל ה-DUT.

בחיבור בעל ארבעה מוליכים מספק הכוח אל ה-DUT, זוג אחד של מוליכים מעביר את זרם המוצא בעוד הזוג השני משמש על-ידי ספק הכוח למדידת המתח ישירות בהדקי ה-DUT, כמתואר באיור 3. מוליכי החישה מחוברים בתוך ספק הכוח למעגל מד-מתח בעל עכבה גבוהה, ולכן, זרם קרוב לאפס עובר במוליכי החישה, דבר המבטל את מפל המתח במוליכים אלה. ספק הכוח שומר על מתח המוצא הרצוי במוליכי החישה על-ידי הגדלת המתח במוצא כדי לפצות על מפלי המתח במוליכי המקור המספקים את הזרם אל ה-DUT.

מפרטי יציבות

מפרטי היציבות מתארים כיצד מגיב ספק הכוח לשינויים. מפרטים אחדים קובעים את יכולת המכשיר לספק מוצא יציב לטווח הקצר. פרק זה דן במפרטים המתארים את יציבות המוצא בתנאים של שינויים בעומס, במתח קו ה-AC ובטמפרטורה.

לטווח הרחוק, ביצועי ספק הכוח משתנים באופן בלתי נמנע בשל ההזדקנות. סוגיות של יציבות לטווח רחוק נדונים באמצעות דרישות של בדיקה וכיול המכשירים הסדירים. לספקי הכוח של Keithley מחזור כיול בן שנה.

יציבות בטמפרטורה

הדיוקים שנדונו לעיל מוגדרים לרוב כתקפים בתחום מסוים של מסביב ל-25oC. תחום אופייני הוא בין 20oC  ו-30oC 68oF) עד 86oF). אם משתמשים בספק הכוח בסביבה מעבדתית בעלת טמפרטורת סביבה יציבה, השפעת הטמפרטורה על המוצא אמורה להיות קטנה. מאידך, אם עובדים במתקן תעשייתי או התקנת שדה העשויים להיות בטמפרטורות שונות משמעותית מטמפרטורת החדר, חשוב להתחשב בכך בקביעת הדיוק. אי-הוודאות במוצא עולה ככל שטמפרטורת הסביבה סוטה מטמפרטורת החדר.

כיוונון העומס (מתח וזרם)

כיוונון העומס הוא מדידה של יכולת ערוץ המוצא להישאר קבוע במהלך שינויים של העומס. ראה איור 4. בשעה שעכבת ה-DUT משתנה, הפרמטר המכוונן לא אמור להשתנות משמעותית. כמובן, אם העומס משתנה יתר על המידה, הפרמטר המכוונן עשוי להשתנות בין מתח לזרם, תלוי בגבול שנקבע עבור הפרמטר הבלתי-מכוונן. בהנחה שספק הכוח אינו מגיע לנקודת מפנה זו, הוא שומר על עכבת מוצא נמוכה בהיותו פועל כמקור מתח ועל עכבת מוצא גבוהה בהיותו פועל כמקור זרם.

ניתן להגדיר את כיוונון העומס בדרכים שונות. לדוגמה, ניתן לבטא את כיוונון המתח כשינוי המתח לאמפר הנצרך. אולם, רוב יצרני ספקי הכוח, כולל Keithley, מבטאים את כיוונון העומס כדיוק המוצא במשך שינוי משמעותי בפרמטר הבלתי-מכוונן.

קל להבין וקל לבדוק צורה מוכרת זו באמצעות עריכת בדיקה:

± (% מהכוונון + היסט)

מפרטי כיוונון העומס של Keithley נבדקים עם המשתנה מכוון למוצא בסקאלה מלאה. משנים את המשתנה הבלתי מכוונן מ-0 עד 98%, ובודקים את המוצא כנגד המפרט המתאים.

אם להשתמש בספק הכוחKeithley 2200-32-3  כדוגמה, מפרט כיוונון העומס עבור מתח מוצא הוא ±0.01% ממתח המוצא הנבחר + 2 מילי-וולט, כך שבמוצא המלא של 32 וולט, המוצא נשאר בתוך ± 5.2 מילי-וולט גם כאשר העומס משתנה מצריכת זרם אפס עד קרוב ל-3 אמפר, שהוא הזרם המרבי הנקוב.

כיוונון העומס עבור מוד ה-CC מוגדר בצורה דומה לכיוונון הקו עבור מוד ה-CV. כיוונון עומס הזרם מתאר כיצד משתנה זרם מוצא ספק הכוח כתגובה לשינוי מדרגה בעכבת העומס.

כיוונון הקו (מתח וזרם)

כיוונון הקו הוא מדידה של יכולת ספק הכוח לשמור על מתח המוצא או זרם המוצא בשעה שמתח ותדר המבוא AC משתנים לאורך כל התחום המותר שלהם. מתח ותדר הקו משפיעים רבות על ההספק הזמין להזנת המוצא, במיוחד כאשר הזרם המרבי נצרך מהספק.

ניתן להזניח את כיוונון הקו במעבדה בעלת מתח קו AC יציב, כאשר מבצעים בדיקות במשך זמן קצר. אולם, אם העבודה מבוצעת באזור נתון לעליות ונפילות במתח הקו AC או אם  הבדיקות נמשכות למשך תקופות ארוכות, כיוונון הקו הוא שיקול חשוב.

כיוונון מתח הקו ניתן להגדיר כיחס בין שינוי מתח המוצא DC ושינוי מתח ותדר קו ה-AC . אולם, כדי להיות עקבי עם רוב מפרטי ציוד הבדיקה, היצרנים מבטאים בד”כ כיוונון הקו כאי-הוודאות במוצא בתוך כל תחום פרמטרי קו ה-AC המקובלים. דבר זה מתאר תמונה של המקרה הגרוע ביותר ומבוטא כ-:

± (% מהכיוונון וההיסט)

לדוגמה, המפרט של ה-Keithley 2200-32-3 לכיוונון הקו הוא . לכן, כאשר המוצא מכוון לספק 32 VDC, המוצא נשאר בתוך  גם כאשר מתח מקור ה-AC משתנה בכל התחום המותר.

כיוונון זרם העומס הוא במפרט דומה. במקום לקבוע את שינוי המתח המותר במוצא כאשר מקור ה-AC משתנה, הוא קובע את כמות שינוי הזרם המותר בשעה שמקור ה-AC משתנה. מפרט זה תקף לאורך כל תחום המתח והתדר של מקור ה-AC.

מאפייני ה-AC

על אף שאנחנו דנים על ספקי כוח DC, המוצא של ספקי כוח אלה איננו DC מושלם. ניתן לצפות ל-AC כלשהו במוצא. עבור יישומים מסוימים, AC גבוה במוצא עשוי ליצור התנהגות בלתי-צפויה במעגל, כך שרצוי לקבוע את האמפליטודה של ה-AC השיורי. בנוסף לרעש ה-AC, רצוי לדעת את תגובת המעבר של ספק הכוח לשינויים בעומס ובכיוונים. לדוגמה, בבדיקות אוטומטיות, חשוב לדעת מתי ספק הכוח מכוון כתגובה לשינוי בכיוונים.

מפרטי הגליות והרעש

רכיבי AC בלתי-רצויים במוצא ספק כוח DC מכונים גליות ורעש, או סטיות מחזוריות ואקראיות (periodic and random deviation -PARD). ניתן לעתים קרובות להחליף בין מושגים אלה. מושג הגליות מתייחס ל-AC מחזורי במוצא. כאשר מתבוננים בו במישור התדר, הגליות מופיעה כתגובה אקראית. שלא כמו הגליות, שהיא מחזורית, הרעש הוא אקראי. הרעש משתרע בספקטרום רחב וכאשר מתבוננים בו במישור התדר, הוא מתבטא כעלייה בקו הבסיס. ראה איורים 5 ו-6. מאחר שהגליות והרעש צמודים לרוב יחד ולא ניתנים להפרדה, במסמך זה נשתמש בסימון PARD כדי לתאר את ההשפעות המשולבות שלהם.

יש להגדיר את מפרטי ה-PARD עם רוחב-פס ויש להגדירם עבור מתח וזרם כאחד. PARD של זרם הוא רלוונטי כאשר משתמשים בספק כוח במוד CC, והוא מוגדר לעתים קרובות כערך RMS. מאחר וצורת ה-PARD היא בלתי-מוגדרת, PARD מתח מבוטא בד”כ גם כמתח RMS, אשר יכול לספק מושג על הספק הרעש, וכן כמתח שיא-לשיא, אשר עשוי להיות רלוונטי כאשר מזינים עומסים בעלי עכבה גבוהה.

בשל שיקולי רוחב-פס, מפרטי ה-PARD תלויים מאוד בטכניקת המדידה המשמשת לבדיקתם. ניתן למצוא לרוב את הנוהל לבדיקת PARD בנוהלי אימות הביצועים של היצרן. חשוב להביא בחשבון את כל נתיב האותות המשמש לבדיקת מפרטי הגליות והרעש. לדוגמה, השימוש בסקופ בעל רוחב-פס גבוה עם חיישן בעל רוחב-פס נמוך עשוי להציג את המפרטים כטובים יותר מאשר הם באמת. מפרטי ה-PARD של ה-Keithley 220-32-3 מדגימים זאת. מפרט מתח ה-PARD הוא 1mVRMS ו-4mVp-p ברוחב-פס של 20 הרץ עד 7 מגה-הרץ. מפרט לרוחב-פס רחב יותר ניתן גם עבור תדרים מ-20 הרץ עד 20 מגה-הרץ. מפרט זה הוא 3mVRMS  ו-20mVp-p.

היענות מעבר

קבוצה אחרת של מאפייני AC מתארת את המהירות בה ספק כוח עשוי להגיב לשינויים. מפרטי היענות המעבר מראים באיזו מהירות המוצא מתייצב לערך DC יציב לאחר שינוי בעומס או בכיוונון. לרוב ספקי הכוח קיבול גדול במקביל למוצא שלהם כדי לאפשר הספקת DC נקי ויציב. כאשר מחברים קיבול זה במקביל להתנגדות העומס, נוצר קבוע זמן  אשר גודלו משתנה עם עכבת העומס. בשל התלות הגדולה בהתנגדות העומס, יש לפרט את ההיענות לשינוי בכיוונון עבור עומס מסוים. מקובל למצוא מפרטים עבור מעגלים פתוחים, קצרים או ערכי התנגדות מסוימים.

היענות המעבר נבדקת על-ידי חיבור שינויי מדרגה משמעותיים לעכבת העומס וכיוונוני ספק הכוח, ומדידת הזמן להתייצבות בערך סופי. היענות המעבר של המתח עבור כל ספקי הכוח מסדרת 2200 של Keithley נתונה עבור שלושה תנאים: עומס גדל, כיוונון גדל וכיוונון יורד.

תוצאות מדויקות דורשות ספק כוח מדויק

כדי להבטיח אמון בתוצאות הבדיקה שלך ואת התדירות של תוצאות אלו, עליך להשתמש בספק כוח המסוגל לספק בצורה מדויקת את ההספק שאתה צריך ל-DUT שלך. אם לספק הכוח שלך אין די דיוק או יציבות, תוצאות המדידות שלך יהיו מושפעות הן מביצועי ה-DUT שלך ומביצועי ספק הכוח.

שינויים בטמפרטורה, שינויים פתאומיים בעומס ומתח קו AC משתנה הם רק חלק מהגורמים העלולים ליצור בעיות. ספק כוח מדויק המתוכנן להתגבר על שינויי אלה ולספק בצורה עקבית ומדויקת את המתח או הזרם שאתה קובע יעניק לך אמון בתוצאות הבדיקה שלך.

יש להבטיח שספק-הכוח שלך הוא מכשיר איכותי ועונה למפרטים שלו

כדי להיות בטוח שספק כוח מתוכנן ומיוצר ברמת איכות מתאימה, חפש הסבר ברור של היצרן על כיצד הוא תומך במפרטים הרשמיים שלו. לדוגמה, היצרן צריך להשתמש בציוד בדיקה המכויל לפי תקנים שניתנים לזיהוי כשייכים למעבדת תקינה מובילה. כמו כן, דרוש אישור אבטחה המופק על-ידי אחת הסוכנויות המוכרות בעולם, כגון CSA, UL או VDE. דבר זה יוכיח שליצרן יש אישור התאמה לתקני האבטחה הבין-לאומיים.

בדיקת ביצועים סדירה חשובה כדי להבטיח שספק-הכוח שלך פועל במסגרת המפרטים של היצרן. לגבי ספקי הכוח של Keithley, מחזור הכיול המומלץ הוא שנה אחת. תיאורים מפורטים של מפרטי הביצועים והנוהלים לאימות הביצועים ניתן למצוא בתיעוד המסופק עם ספק הכוח. רבים ממפרטים אלה נבדקים כחלק מתהליך הייצור ובחלק מאימות הביצועים הנערך במהלך תהליכי התחזוקה הסדירה. Keithley בודקת כל ספק-כוח תוך שימוש בתקנים מרי-עיקוב ומציעה נתוני בדיקה של ביקורת האיכות כאופציה.

הכתבה נמסרה באדיבות DANEL.

באדיבות: חברת Keithly