magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 63 resz

Legyen bármilyen stabil a tápegységünk, a terhelésig vezető – nem ritkán hosszú – kábeleken eső feszültség elrontja ezt a stabilitást. Ez a jelenség kiküszöbölhető a terhelés csatlakozási pontjairól visszavezetett – gyakorlatilag árammentes – érzékelővezeték-pár kiépítésével, ám ez a módszer nehézkes és bonyolult. Robert cikke arra mutat példát, hogyan lehet orvosolni a problémát – érzékelővezetékek nélkül.

 


Előfordul, hogy a tápegységtervezési feladat specifikációja pontosabb szabályozást ír elő, mint ami a távérzékelés kiépítése nélkül megvalósítható lenne. Kitűnően szemlélteti ezt egy hálózati USB-töltő példája, amelynél a tápegységnek 0,5 V feszültségesést kell kompenzálnia az érzékelővezeték-pár többletköltségei nélkül. A kimeneti feszültségnek ebben az alkalmazásban 4,75 és 5,25 V közé kell esnie. A terhelésről közvetlenül visszavezetett érzékelővezetékek kialakítása nélkül ez nem valósítható meg a kábelen eső 0,5 V-os feszültség és a tipikus alkatrésztoleranciák együttes hatása miatt.
A probléma szokásos megközelítésénél mérjük a kimeneti áramot egy érzékelőellenálláson eső feszültségnek egy kis ofszetfeszültségű differenciálerősítővel történő erősítésével. Az erősítő kimeneti feszültségével arányos áramot hozunk létre[1], és ezt kivonjuk a feszültségérzékelő áramából. Ezzel megemelkedik a kimeneti feszültség. Ennél egyszerűbb megközelítés látható az 1. ábrán, amely kiküszöböli a transzkonduktancia-erősítő használatát. Az erősítő U1:B kimenőfeszültsége a kimeneti feszültség és az áramérzékelő ellenálláson eső – erősített – feszültség különbsége. Ha az erősítő kimenőfeszültségét egy visszacsatolt hurokkal állandónak tartjuk, a terhelőáram növekedésével a kimeneti feszültség (Vo) is megemelkedik. Ez arra használható, hogy kompenzálja Vo-ból levonódó, a kábelen eső feszültség hatását a terhelőáram függvényében. Ehhez az R1, az R3 és az R4 értékét kell alkalmasan megválasztani.

Fig1

1. ábra Egy egyszerű műveleti erősítős kapcsolással kompenzálható a kábel feszültségesése


Az 1. ábra azonban azt is megmutatja, hogy ez az áramkör instabil is lehet. Az EAout-ra vonatkozó egyenlet egyszerűsített kifejezése annak, hogyan függ az erősítő kimeneti feszültsége a terhelésen mérhető Vo feszültségtől. Ebben a leegyszerűsített modellben a kábel és a terhelés ellenállását összevontuk egyetlen RLOAD terhelőellenállássá, és feltételeztük, hogy a terhelésnek nincs kapacitása. Vegyük észre, hogy az erősítő kimenőfeszültsége két tagból áll, egy pozitívból és egy negatívból. Ha van olyan frekvencia, amelynél a második tag abszolút értéke nagyobb az első tagnál[2], az erősítő fázisforgatása előjelet vált (180°-kal megfordul), és az erősítő oszcillátorként viselkedik. Ez tipikusan nem okoz nehézséget, ha az áramérzékelő ellenállás a kimeneti kapacitás és a terhelés közé kapcsolódik. Akkor válhat komoly problémává, ha az áramérzékelő ellenállást a kimeneti induktivitás és a kimeneti kondenzátor közé kapcsoljuk.

A 2. ábra példája annak, milyen egyszerű is lehet a kábel feszültségesésének kompenzálása. Ez egy 12 V-os bemenetű, 5 V-os kimenetű feszültségcsökkentő szabályozó, amely például autóba szerelt USB-töltőként használható. A tápegység abba a csatlakozódugóba szerelhető, amellyel a töltő az autó 12 V-os energiahálózatára csatlakozik, a terhelést pedig egy kábelen keresztül látja el energiával. Az áramkör szíve az U1 vezérlő IC, amely zárja a feszültség-visszacsatoló hurkot, ezen kívül pedig tartalmazza a feszültségcsökkentő szabályozó teljesítménykapcsolóit. Az integrált áramkör belsejében a visszacsatoló pont feszültsége egy 1 V-os referenciaforrással hasonlítódik össze.

Fig2

2. ábra Ez a módszer a hagyományos felépítésű áramköröknél 1-el kevesebb erősítővel képes a kábel feszültségesését kompenzálni


Ezt az információt arra használjuk, hogy ez határozza meg a teljesítménykapcsolók kitöltési tényezőjét. A visszacsatolási pont feszültségét az R5/R7 feszültségosztó határozza meg úgy, hogy a TP9 mérőponton 5 V-ra szabályozza a feszültséget. Az U4A erősítő kivonja az áramérzékelő ellenállás erősített feszültségét a TP4 mérőpont feszültségéből. Ebben az áramkörben a kimeneti áram[3] 2,5 A, amely az áramérzékelő ellenálláson 125 mV feszültséget ejt. A differenciálerősítő bemeneti ofszetfeszültsége 3 mV, amelyet 10 mV-ra erősít az erősítő. Ezzel nagyjából 2% feszültséghiba keletkezik. Ennél kisebb hibát is elérhetünk, ha kisebb ofszetű, drágább erősítőt alkalmazunk. Ez az áramkör tehát nagyjából 625 mV kábel-feszültségesést képes kompenzálni 125 mV-os áramérzékelő-feszültségnél, ötszörös erősítéssel.
A 3. ábra mutatja ennek az áramkörnek a mért teljesítőképességét. Három görbét tartalmaz: az első (piros) a korrigálatlan Vo értékét mutatja 0,25 Ω ellenállású kábelnél, a második (zöld) a kábel terhelés felőli végének feszültségét mutatja a feszültségesés kompenzációjával, a harmadik (kék) pedig a kábel feszültsgesését kompenzáló tápegység kimeneti feszültsége. Az „uncomp Vo” görbe azt mutatja, hogy a kábel feszültségesésének kompenzációja nélkül a kimeneti feszültség aránylag kis terhelésnél is kívül kerül a terhelés feszültségére megengedett ±5%-os tartományon. A „comp PS Vo” görbéből az olvasható le, hogy a tápegység kimenete kábelkompenzációval nagyjából 600 mV-tal meghaladja a névleges feszültséget a 2,5 A-es terhelőáramnál. A terheletlen feszültség 4,92 V, amelyet a kívánt 5 V-tal összehasonlítva 1,6% hiba adódik. Ez kisebb a lehetséges legrosszabb esetben mérhető hibánál. A számottevő hibaforrások: a referenciafeszültség hibája (0,7%), az R4 és R7 osztóellenállások 1%-os hibájából eredő 1,6%-os feszültségosztási hiba, valamint az U4A erősítő ofszethibája (0,3%). A „comp cable Vo” görbe mutatja a feszültséget a kábel végén, ahol az a terhelésre csatlakozik a feszültségesés kompenzálását követően. Ezzel a megközelítéssel tehát a megkívánt 5%-os pontosság könnyen teljesíthető.

Fig3

3. ábra A tápegység terhelésre növekvő kimeneti feszültsége kompenzálja a kábel feszültségesését


Összegezve, lehetséges nem költséges megoldást találni arra a feladatra, hogy a terhelésen ne csökkenjen a feszültség a kábel feszültségesésének hatására. Számos esetben egy ilyen áramkör kevésbé növeli az áramkör bonyolultságát, mint a távérzékelő csatlakozás kialakítása. Ráadásul ez biztonságosabb is, mint ahogy a távérzékelő rendszer viselkedik meghibásodás esetén. Az itt bemutatott feszültségesés-kompenzációnak a szabályozó hurok kompenzációjára gyakorolt hatása jelentéktelen mindaddig, míg az áramérzékelő ellenállás a kimeneti kondenzátor föld felőli végére csatlakozik.

A sorozat következő cikkében a burkológörbe-követésre használt tápegységek sajátosságaival foglalkozunk. 

Javasoljuk, hogy az olvasó kövesse a www.ti.com/power-ca webhelyet és a Texas Instruments Power House blogjának bejegyzéseit (https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse


Robert Kollman
 – Texas Instruments

www.ti.com/power-ca és www.ti.com/powerhouse-ca

 


[1] Az áramérzékelő differenciálerősítő és a kimeneti feszültségével arányos áramot előállító vezérelt áramgenerátor együtt egy feszültségvezérelt áramgenerátort – elterjedt nevén transzkonduktancia-erősítőt – alkot, erre hivatkozik a szerző a továbbiakban. – A szerk. megj.

[2] Ez az egyszerű, DC matematikai modellből nem következik. Akkor fordulhat elő, ha a terhelés kapacitása nem nulla. – A szerk. megj.

[3] E helyen a szerző nyilván a maximális kimeneti áramra gondol. – A szerk. megj.

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

50. rész

51. rész

52. rész

53. rész

54. rész

55. rész

56. rész

57. rész

58. rész

59. rész

60. rész

61. rész

 62. rész      

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.

 

 

 

 

 

 

   
Advertisement