Zasilanie urządzeń za pośrednictwem długich przewodów wiąże się z występowaniem na nich napięcia, które jest tym większy, im większa jest długość przewodów i natężenie prądu pobieranego przez odbiornik. Niekiedy ten spadek jest on na tyle duży, że odbiornik nie pracuje prawidłowo. Prezentowany stabilizator pozwala na skompensowanie tego zjawiska przez pomiar napięcia na odbiorniku i odpowiednie podwyższenie napięcia wyjściowego, jeśli to potrzebne.
Rekomendacje: stabilizator i opisana metoda są doskonałą bazą do budowania własnych, precyzyjnych źródeł zasilania.
Rezystancja przewodów doprowadzających zasilanie powoduje, że płynący przez nie prąd wywołuje spadek napięcia. Można to modelować jako rezystancję skupioną (rysunek 1). Może się okazać, że długość przewodów jest na tyle duża, że odbiornik przestaje działać poprawnie. Najłatwiejszą metodą przeciwdziałania temu zjawisku jest ustawienie na zasilaczu odpowiednio wyższego napięcia zasilającego. Jednak w wypadku, gdy pobierany prąd zmienia się, może dojść do uszkodzenia odbiornika zbyt wysokim napięciem.
Powszechnie znaną metodą zapobieżenia temu problemowi jest zasilanie metodą 4-punktową, której ideę obrazuje rysunek2. Obok przewodów zasilających odbiornik prowadzi się dodatkową parę przewodów pomiarowych obciążonych bardzo dużą rezystancją wejściową układu pomiarowego, aby prąd płynący przez te przewody był pomijalnie mały i można go było zaniedbać. Do zasilacza trafia informacja o tym, jakie napięcie występuje bezpośrednio na zaciskach odbiornika, przez co odpowiednio podnosi on napięcie na swoich zaciskach zasilających.
Zastosowanie tej metody ma pewną wadę: wymaga połączenia zasilacza z odbiornikiem za pomocą czterech przewodów. Można tę liczbę zredukować przez założenie, że przewody prowadzące zasilanie są identycznie (rysunek3). Wtedy wystarczy zmierzyć spadek napięcia na jednym z nich i podwoić, aby uzyskać całkowitą wartość napięcia, które jest tracone na połączeniach. Opisany w tym artykule stabilizator realizuje tę właśnie funkcję. Dodatkowo ma nieskomplikowane zabezpieczenie, które zapobiega uszkodzeniu odbiornika w razie przerwania przewodu sprzężenia zwrotnego.
Nie jest to jednak kompletny zasilacz sieciowy, a tylko sam stabilizator. Należy do niego doprowadzić napięcie stałe, wyższe od oczekiwanego na wyjściu.
Schemat ideowy
Schemat stabilizatora pokazano na rysunku4. Jego głównym członem jest regulator impulsowy step down, oparty na układzie LM2576T-ADJ. Wydajność prądowa stabilizatora opartego na tym układzie sięga 3 A, więc doskonale sprawdzi się w wielu zastosowaniach. Na rynku można znaleźć znacznie nowocześniejsze układy, które cechują się wyższą sprawnością, jednak ich zastosowanie w tym układzie byłoby bardzo trudne, ponieważ aby osiągnąć dużą szybkość regulacji, sygnał sprzężenia zwrotnego nie może ulegać żadnym znaczącym opóźnieniom. Tutaj opóźnienie jest wprowadzane przez długie połączenia oraz wzmacniacz, który ma ograniczone pasmo. Z tego powodu gama scalonych stabilizatorów impulsowych, które można w tym układzie zastosować, jest ograniczona.
Układ US1 pracuje w typowej konfiguracji przetwornicy obniżającej. Wejście jego wzmacniacza błędu (nóżka 4) jest dołączone za pośrednictwem dzielnika rezystancyjnego (rezystor R2 i potencjometr P1). Żądane napięcie wyjściowe jest ustawiane za pomocą potencjometru P1. Rezystor R3 zapobiega skokowi napięcia na wyjściu w sytuacji, gdy ślizgacz potencjometru utraci kontakt ze ścieżką oporową. Ponadto jego rolą jest zawężenie zakresu regulacji – w skrajnym położeniu ślizgacza całkowita rezystancja tej gałęzi wyniesie ok. 188 kV. Zakładając, że napięcie referencyjne stabilizatora wynosi 1,23 V, umożliwia to ustawienie maksymalnie 29,4 V. Ograniczenie napięcia wyjściowego do takiej wartości jest podyktowane koniecznością obsłużenia takiego napięcia przez wzmacniacz operacyjny. Wzmacniacz ten jest zasilany napięciem nieprzekraczającym 33 V. Dostarcza go dioda Zenera D2, której prąd redukuje rezystor R4. Pobiera się je z wejścia, ponieważ tam musi panować napięcie wyższe od wyjściowego.
Jeden ze wzmacniaczy operacyjnych układu LM358 został skonfigurowany do pracy w układzie wzmacniacza nieodwracającego. Jego napięciem odniesienia jest wyjście stabilizatora impulsowego. Rezystory w dzielniku w pętli sprzężenia zwrotnego (R5 i R6) są jednakowe, więc wzmocnienie tego stopnia wynosi, w przybliżeniu, 2 V/V. Na wejście tego wzmacniacza podawany jest sygnał napięciowy sprzężenia zwrotnego. Ma on wartość ujemną względem poziomu odniesienia. Na dzielnik napięciowy przy układzie US1 jest podawane napięcie wyjściowe, ale pomniejszone o podwojony zmierzony spadek napięcia. Szczegółowo obrazuje to rysunek5. Powoduje to, w rezultacie, podniesienie napięcia na zaciskach wyjściowych o napięcie tracone na przewodach, ponieważ stabilizator impulsowy dostaje informację, że napięcie jest zbyt małe.
W szereg z wejściem wzmacniacza operacyjnego jest włączony rezystor R7, którego rezystancja jest zbliżona do wypadkowej rezystancji dzielnika złożonego z R5 i R6. Jego rola jest w tym miejscu dwojaka. Po pierwsze, kompensuje wpływ prądu polaryzacji wejść. Po drugie, ogranicza prąd płynący przez bazę tranzystora wejściowego w sytuacji, gdy napięcie pochodzące ze sprzężenia zwrotnego wykracza poza akceptowalny zakres.
Rezystor R8 powoduje, że pętla sprzężenia zwrotnego nigdy nie jest otwarta, co mogłoby się stać w przypadku np. przerwania przewodu. Jego rezystancja nie jest krytyczna. Najważniejsze, aby była wielokrotnie większa od zakładanej rezystancji przewodu sprzężenia zwrotnego, ponieważ bocznikuje go, zmniejszając jego oddziaływanie. Tym samym, słabnie efekt kompensacji. Rezystancja 15 kV jest „rozsądnie duża”.
Rezystory R9 i R10 wstępnie obciążają wyjście przetwornicy. Jeżeli z zacisków wyjściowych nie jest pobierany żaden prąd, a zasilanie stabilizatora jest włączone, to napięcie na wyjściu może powoli narosnąć do wartości wyższej od żądanej. Wspomniane rezystory zapobiegają temu efektowi. Rozdzielenie na dwa było podyktowane zmniejszeniem wydzielanej mocy w jednym elemencie.
Zasilacz prądu stałego można dołączyć do zacisków złącza J1 lub – jeżeli jest zaopatrzony we wtyk DC 2,5/5,5 mm – do złącza J2. Istotne jest zachowanie prawidłowej polaryzacji, ponieważ układ nie został wyposażony w stosowne zabezpieczenie. Jednak dzięki temu całe napięcie pochodzące z zasilacza jest przeznaczane na potrzeby stabilizacji, bez zbędnych spadków.
Montaż i uruchomienie
Układ stabilizatora zmontowano na jednostronnej płytce drukowanej o wymiarach 82 mm×35 mm, której schemat montażowy pokazano na rysunku6. Montaż proponuję przeprowadzić, począwszy od elementów montowanych powierzchniowo. Następnie trzeba wlutować dwie zwory, które są pod dławikiem. Resztę elementów można wlutować w kolejności od najniższych do najwyższych. Dławik L1 można wlutować po przykręceniu radiatora do układu US1, o ile zachodzi taka potrzeba. Pod układ scalony US2 warto zastosować podstawkę, co ułatwi jego wymianę w razie awarii.
Napięcie zasilania musi być o kilka woltów wyższe od najwyższego oczekiwanego napięcia wyjściowego (uwzględniającego również spadki napięć na przewodach). Należy przy tym uważać, aby napięcie zasilające nie przekroczyło wartości maksymalnej dla układu LM2576, która wynosi 40 V.
Można tę granicę przesunąć, stosując układ w wersji HV, która akceptuje do 60 V. Wymaga to wymiany również kondensatora C1 na np. 470 mF/63 V. Trzeba też zmniejszyć prąd płynący przez diodę Zenera przez wymianę rezystora R1, np. na 1,5 kV/1 W, w przeciwnym razie może ulec przegrzaniu.
Prawidłowo zmontowany układ nie wymaga żadnych czynności uruchomieniowych poza ustawieniem żądanego napięcia wyjściowego. Najpierw należy uczynić to bez podłączonego obciążenia do zacisków J3. Dopiero po takiej wstępnej regulacji można podłączyć zasilany układ oraz przewód sprzężenia zwrotnego. W razie konieczności można skorygować ustawienie potencjometru P1, ale napięcie mierząc tuż przy obciążeniu.
Testy
W celu sprawdzenia jakości kompensacji wpływu połączeń układ prototypowy został przetestowany w układzie z rysunku7. Rezystor 10 V jest odbiornikiem prądu, rezystory 1 V imitują rezystancję przewodów zasilających, a rezystor 100 V rezystancję przewodu sprzężenia zwrotnego. Spadek napięcia na połączeniach będzie wyraźny, ponieważ wyniesie ok. 17% napięcia wyjściowego.
Sprawdzono zachowanie układu przy przerwanej pętli sprzężenia zwrotnego, przy relatywnie dużej rezystancji przewodu oraz przy całkowitym jego przerwaniu. Napięcie zasilające wynosiło 24 V. Wyniki umieszczono w tabeli1, dla dwóch różnych napięć wyjściowych. Pierwsze dwa wiersze to sytuacja, w której układ zachowuje się jak zwykły stabilizator. Napięcie na obciążeniu jest o ok. 20% niższe od żądanego.
W liniach od 3 do końca tabeli znajdują się wyniki pomiarów dla sytuacji, w której sprzężenie zwrotne działa. Jak widać, napięcie wyjściowe wzrosło, a na obciążeniu jest niemal dokładnie takie, jakie poprzednio było na samych zaciskach wyjściowych. Dodanie rezystancji szeregowej (o znaczącej wartości) w przewodzie sprzężenia zwrotnego powoduje ledwie zauważalne zmiany, mieszczące się w granicach błędu pomiarowego. Należy przy tym jeszcze raz podkreślić, że prawidłowo działającej kompensacji można oczekiwać tylko wtedy, gdy obydwa przewody zasilające są identyczne, tj. mają ten sam przekrój, długość i temperaturę. W przeciwnym razie mogą się zdarzyć przekłamania.
Zaloguj
