CC BY
24
SIX WIRE INDUCTION CABLE LINE Yu.M. Gorbenko, V. V. Kiryukha
The problem of determining the parameters of a six-wire cable line is considered. Approximate and exact formulas for determining the inductance of three options for the location of the wires of a six-wire single-phase line made with single-core cables, as well as two three-core cables are obtained.
Key words: cable lines, single-core cables, three-core cables, inductance, inductance per unit length, inductive resistance.
Gorbenko Yuri Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, gorben-ko.um@mail.ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University,
Kiryukha Vladimir Vitalievich, docent, vkiryuha@,list. ru, Russia, Vladivostok, Far Eastern State Technical Fisheries University
УДК 621.314.1 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-225-229
ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ПИТАНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ПРОВОДАХ ПОДКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ
Н.О. Крыликов, М.Л. Плавич
Рассмотрены примеры схемотехнической реализации систем вторичного электропитания преимущественно для бортовых малогабаритных систем управления с компенсацией паразитного падения напряжения на проводах подключения нагрузки. Приведены формульные зависимости, позволяющие рассчитать параметры элементов схемы, задающих компенсирующие напряжения. Представлены принципиальные электрические схемы двух вариантов источников вторичного питания с компенсацией паразитного падения напряжения. The basic electrical diagrams of two variants of secondary power sources with parasitic voltage drop compensation are presented.
Ключевые слова: системы вторичного электропитания, падение напряжения, нагрузка, операционный усилитель, блок питания.
Необходимость поддержания заданного значения напряжения на сильноточной нагрузке в бортовых малогабаритных источниках вторичного электропитания зачастую сталкивается с проблемой паразитного падения напряжения на питающих проводах, сравнимого с величиной допуска на выходное напряжения (типовое значение - ±5 %). В общем случае эта проблема решается с помощью дополнительной пары проводов, передающих напряжение на нагрузке в систему обратной связи источника питания.
Рассмотрим пример блока питания на напряжение 3,3 В и током 3 А, рассчитанный на суммарное сопротивление проводов питания до 0,1 Ом. Схема представлена на рис.1.
Основу блока питания составляет понижающий DC-DC преобразователь, базовыми компонентами которого являются микросхема D1 (LM21215) и фильтр нижних частот L1 - C13, C14. Частота работы преобразователя определяется резистором R5 и составляет 500 кГц. Время плавного запуска определяется емкостью C5, составляя примерно 10 мс. Элементы R10, R13, C10 - C12 выполняют функцию локальной частотной коррекции, предотвращающей самовозбуждение преобразователя. Начальное выходное напряжение определяется делителем R11-R12 и составляет около 3 В. Запуск преобразователя производится при подаче на вход EN напряжения выше 1,45 В.
225
через линии обратной связи
Сигнал обратной связи от нагрузки подается по линиям SENSE+ и SENSE- на вход дифференциального усилителя, образованного ОУ D2:1 и делителями на резисторах R6-R9. Коэффициент усиления -1. Емкости C8 и C9 образуют с резисторами R8, R9 ФНЧ для первичного сглаживания помех и пульсаций на линиях обратной связи. Быстродействующие предохранители FU1, FU2 вместе с TVS диодом VD1 обеспечивают защиту схемы от ряда нештатных ситуаций, например, некорректного подключения линий обратной связи. Защита от статического электричества обеспечивается компонентами R3, R4, C4 (подключение к заземленному корпусу устройства).
Напряжение с выхода дифференциального усилителя поступает на вход сумматора-интегратора на ОУ D2:2. На второй вход (линия "+Uctrl") подается опорное напряжение, например, от ЦАП. Отношение выходного напряжения к Uctrl составляет 1,44. Таким образом, для получения на нагрузке напряжения +3.3 В напряжение Uctrl должно быть 2,292 В. АЧХ и ФЧХ интегратора определяется компонентами R15, R16, R21, C18, C19. Выходное напряжение интегратора подается через R22 на вход обратной связи DC-DC преобразователя. Для того, чтобы исключить резкие перепады напряжения на выходе DC-DC преобразователя в результате, например, наведенных импульсных помех по линиям обратной связи, напряжение на выходе интегратора ограничено схемой на элементах R17, R18, C15, C16, VD2, VT1, VT2 в диапазоне ±1,2 В. Это, в свою очередь, ограничивает выходное напряжение DC-DC преобразователя в пределах 2,8-3,7 В. Верхний предел ограничивает максимальное падение на силовых проводах подключения нагрузки, составляя для данной схемы величину 0,4 В. Соответственно, учитывая небольшой запас, суммарное сопротивление силовых проводов должно быть не более 0,1 Ом для максимального тока 3 А.
Выходное напряжение с DC-DC преобразователя подается через элементы защиты FU3, FU4, VD4 на нагрузку (линия "+3,3V").
Для контроля тока нагрузки предусмотрен токовый монитор на элементах D3, R14, R19, C17, C20. Коэффициент преобразования монитора составляет 1 В/А.
Без значительных изменений схема может быть легко пересчитана на выходной ток до 10 А.
В частном случае задача поддержания точного напряжения на сильноточной нагрузке может быть реализована без использования проводов обратной связи. Для этого напряжение на выходе преобразователя увеличивается на
величину равняется нагрузку:
падения напряжения на соединительных проводах. Эта величина произведению сопротивления соединительных проводов и тока через
U out = и,
load
+ A U = U,
load
+ hoadR
1ш1ге->
где и01й - напряжение на выходе блока питания, Ь'ьаа - требуемое напряжение на нагрузке, Л11 - падение напряжения на проводах, 11оаа - ток через нагрузку, - суммарное сопротивление силовых проводов.
Данный метод поддержания напряжения на нагрузке проигрывает в точности по сравнению с предыдущим из-за температурной нестабильности сопротивления проводов. Но в тех случаях, где точности достаточно, устранение лишней пары проводов может оказаться весомым преимуществом.
Рис. 2. Блок питания с компенсацией падения напряжения на соединительных проводах
На рис.2 представлена схема блока питания с регулируемым выходным напряжением от -19 В до -31 В и номинальным током нагрузки 1 А. Схема рассчитана на работу с силовыми проводами с сопротивлением 0.1 Ом. Основу блока составляет 8ЕР1С преобразователь на базе контроллера Б1, силового ключа УТ1, трансформатора Т1, проходной емкости С7, диода УХ)! и фильтрующих емкостей С8-С10. Частота работы преобразователя определяется резистором И.2 и составляет 400 кГц. Время плавного запуска (12,5 мс) определяется емкостью С2. Элементы ЯЗ, СЗ, С5 выполняют функцию частотной коррекции. Запуск преобразователя производится при подаче на вход ЕМ напряжения выше 1,27 В.
Измеритель тока собран по составной схеме на прецизионных ОУ Б2 и БЗ. ОУ 02 с плавающим источником питания на элементах УТ)2, Я7, С11 выполняет функцию преобразователя ток-ток. Напряжение на шунте И.9 преобразуется в пропорциональный ток стока УТ2. На ОУ 03 выполнен преобразователь ток-напряжение.
Коэффициент преобразования измерителя тока составляет:
к,
10 к
Ro — = 0.03 х — = 3 В/А.
" D _ 1ПП '
¡load Re 100
Емкости С12, С15 составляют элементы частотной коррекции, предотвращающие самовозбуждение схемы, элементы Rll, VD3 защищают от пробоя инвертирующий вход D3.
На ОУ D4:2 выполнен сумматор-инвертор опорного напряжения (линия "+Uctrl") и напряжения измерителя тока в пропорциях, определяемых резисторами R13, R18-R20. В качестве перестраиваемого компонента, значение которого определяется сопротивлением соединительных проводов, выступает R18. Усилитель ошибки выполнен по схеме сумматора-интегратора на ОУ D5 :1. На один из его входов поступает сигнал, пропорциональный по уровню напряжению на выходных клеммах блока питания, получающийся с помощью дифференциального усилителя на ОУ D4:l. На другой - выходное напряжение сумматора-инвертора. Выходное напряжение интегратора подается через R25 на вход обратной связи SEPIC-конвертора.
Приравняв сумму входных напряжений интегратора к нулю, получаем следующее соотношение:
— U R16 ^ 1 _ i~hoadkl | uctrl\R20 out: R14 R2i VRI3+RI8 ^19/^22'
где Uout - выходное напряжение блока питания.
Учитывая, что напряжение на нагрузке должно зависеть только от опорного напряжения (Uctri), получаем два выражения:
Ц _ R14R20R21 и _ 120fcl0fc20fc =-16 и
load. R16R19R22 CtTl 15fcl0fcl0fc ctrl ctrЬ
D ID — К14К20К21^7 «13 + «18 - nun.'
к1бк22кш1ге
Преобразуя последнюю формулу и принимая сопротивление для силовых проводов 0.1 Ом, получаем значение резистора R18:
Й18=Ах^х «14*2SM "0*10*20* _ =
Rwire «8 ^16^22 0.1 100 15fcl0fc
Выбираем из ряда Е96 наиболее близкое значение 4.75 М.
Соответственно значение R18 может быть пересчитано для произвольного сопротивления проводов подключения нагрузки.
Заключение. Приведенные схемы скомпенсированных источников вторичного электропитания могут быть использованы при реализации бортовых малогабаритных системах управления, так и при создании стендовой и контрольно-проверочной аппаратуры.
Список литературы
1. Tiger Zhou Remote sensing for power supplies // Texas Instruments Incorporated, SLYT467, Analog Applications Journal, 2Q 2012. P. 12-13.
2. Stabilizing Fast Transient Response Power Supply/Load Circuits // Keithley Instruments Application Note Series Number 2870, 2007. 6 p.
3. LM21215 2.95-V to 5.5-V, 12-A, Voltage-Mode Synchronous Buck Regulator With Adjustable Frequency // Texas Instruments SNVS625F-February, 2011. 38 p.
4. Juergen Neuhaeusler, Carsten Thiele Step-Down Converter with Cable Voltage Drop Compensation // Texas Instruments Application Report, SLVA657. 2014. 7 p.
5. Lion Huang Cable Compensation of a Primary-Side-Regulation (PSR) Power Supply // Richtek Technology Corporation, AN011. 2014. 11 p.
6. LT3758/LT3758A High Input Voltage, Boost, Flyback, SEPIC and Inverting Controller // Analog Devices Data Sheet.
Крыликов Николай Олегович, д-р техн. наук, старший научный сотрудник, начальник отделения, krylikov-no(q),rambler.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (МИЭТ),
Плавич Максим Леонидович, ведущий инженер-электроник, plav-ich(q),hotmail. сот, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (МИЭТ)
EXAMPLES OF POWER SYSTEMS IMPLEMENTATION WITH VOLTAGE DROP COMPENSA TION ON THE LOAD CONNECTION WIRES
N.O. Krylikov, M.L. Plavich
Examples of circuitry implementation of secondary power supply systems are considered, mainly for onboard small-sized control systems with compensation for parasitic voltage drop on the load connection wires. The formula dependences that allow calculating the parameters of the circuit elements that set the compensating voltages are given.
228
Key words: secondary power supply systems, voltage drop, load, operational amplifier, power supply unit.
Krylikov Nikolai Olegovich, doctor of technical sciences, department director, krylikov-no@rambler. ru, Russia, Moscow, National Research University of Electronic Technology (MIET),
Plavich Maxim Leonidovich, lead engineer on electronics, plavich@,hotmail. com, Russia, Moscow, National Research University of Electronic Technology (MIET)
