Migliorare la regolazione della tensione senza fili di rilevamento remoto

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Autore: Greg Zimmer, senior product marketing engineer, signal conditioning products, Linear Technology

Una delle problematiche più ricorrenti, quando si collega alimentatore a un carico è la caduta di tensione. Questa avviene generalmente a causa di errori sulla regolazione del carico, i cui responsabili principali sembrano essere cavi, fili, connettori e tracce di circuiti stampati. Quando la corrente di carico aumenta, la tensione fornita al carico diminuisce, per cui si ha la percezione che l’alimentatore abbia un problema di regolazione del carico.

Il metodo tradizionale per risolvere questo problema consiste nel rilevare la tensione di uscita con una coppia di fili dedicati, che vanno dalla rete di feedback del regolatore al carico. Nonostante questo sia un comprovato metodo funzionante, non si può considerare il più desiderabile in termini di utilizzo delle risorse. Introducendo un’ulteriore coppia di fili ne derivano infatti maggiori costi in termini di peso, affidabilità e così via.

Un altro metodo consiste nell’aumentare il diametro del cavo/filo per ridurre la resistenza, ma anche questa soluzione comporta un aumento del costo e del peso del filo e può risultare impraticabile se si deve adattare un sistema preesistente. L’ultima soluzione è quella di posizionare un regolatore nel punto di carico, ma questo richiede l’uso di più regolatori, invece di uno solo centrale, con conseguente aumento dei costi e della complessità del progetto. Questo metodo inoltre può ridurre il rendimento dei regolatori lineari (meno potenza fornita al carico) e risultare impraticabile a causa di limitazioni fisiche (dimensioni) e ambientali (ad es. carico termico, temperatura d’esercizio).

Fig. 1 – Una tensione di alimentazione di 5V scende a 4V, a seguito di un consumo di corrente di 1amp a causa di una resistenza di linea di 1Ohm

Linear Technology introduce una soluzione innovativa a questo problema grazie all’LT6110, un compensatore di caduta di corrente nei cavi, progettato per migliorare la regolazione per carichi e strumenti remoti, tra cui USB ad alta potenza, Power over Ethernet (PoE), caricabatteria, sistemi di sorveglianza, illuminazione ad alta potenza, dispositivi di intrattenimento portatili, telecamere remote, carotaggi e perforazioni ‘down-hole’.

Fig. 2 – L’LT6110 è configurato in modo da generare la corrente di correzione, ICORRECTION.

L’LT6110 misura la corrente di carico e fornisce una piccola corrente al loop di feedback del regolatore per aumentarne la tensione di uscita. Questo dispositivo è progettato per funzionare con circuiti di feedback standard e con nuovi dispositivi di riferimento a “sorgente di corrente”, come l’LT3080.

Il cuore dell’LT6110 è costituito da un amplificatore per il rilevamento della corrente sul fronte alto con un’uscita in modalità di corrente, progettato per controllare la tensione di uscita di un alimentatore regolabile o di un regolatore di tensione. Quando viene rilevato un aumento della corrente di carico, l’LT6110 aumenta l’uscita del regolatore per compensare la caduta di tensione sul carico.

Nella maggior parte dei casi, impostare la compensazione della caduta di tensione nei cavi è semplice. Prendiamo, ad esempio, una telecamera montata su un palo e il relativo alimentatore posizionato a una quindicina di metri di distanza. Una tensione di alimentazione di 5V scende a 4V, a seguito di un consumo di corrente di 1amp, che comporta una resistenza di linea di 1Ohm (Fig. 1).

La compensazione della caduta di tensione nei cavi ad opera dell’LT6110 genera una corrente di correzione per regolare il feedback del regolatore. Tale corrente viene collocata nel nodo di feedback del regolatore e condotta attraverso il resistore di feedback. La corrente di correzione scelta aumenta l’uscita del regolatore di un valore pari alla caduta di tensione:

I_CORRECTION = V_DROP / R_F

dove V_DROP è la caduta di tensione sul carico e R_F è il resistore di feedback sul regolatore.

Un esempio

Fig. 3 – Le tre fasi di settaggio dell’LT6110

Nell’applicazione con telecamera remota è possibile inserire un compensatore di caduta di tensione LT6110 tra il regolatore e il carico. Con 1Amp nel resistore di rilevamento integrato da 20m ohm, viene generata una tensione di rilevamento di 20mV. Per regolare l’uscita del regolatore di 1V, si deve far passare una corrente di correzione nel resistore di feedback del regolatore. Tale corrente di correzione viene generata dall’LT6110. Dato che il resistore di feedback del regolatore è 20k e la tensione di correzione desiderata è 1V, la corrente (I_IOUT) deve essere pari a 50uA. Il valore di I_IOUT è determinato dalla tensione VSENSE che viene fatta passare nel resistore di ingresso dell’LT6110. Pertanto il resistore di ingresso va impostato a 400 ohm. Nella figura 4 è illustrato il processo di impostazione a 3 fasi dell’LT6110.

Fig. 4 – Processo di impostazione a tre fasi dell’LT6110

Il miglioramento della regolazione del carico illustrato in questo esempio può essere facilmente dimostrato con la simulazione di un circuito LTSpice(¹⁾. Utilizzando un modello LTSpice con un regolatore lineare LT1965 che gestisce un carico di 1A/1hz, la regolazione del carico registra un netto miglioramento con l’LT6110. Come si vede nella figura 5, la traccia rossa mostra la scarsa regolazione senza compensazione della caduta di tensione, mentre la traccia blu indica il miglioramento ottenuto grazie all’LT6110⁽²⁾. L’uso di una corrente di carico AC illustra l’azione correttiva sulla tensione del carico continuo da parte dell’LT6110.

Fig. 5a – Simulazione di un circuito LTSpice con regolatore e compensazione della caduta di tensione

L’LT6110 offre due uscite in modalità di corrente, proporzionali alla corrente di carico, una ‘sinking’ e una ‘sourcing’. Ciò consente all’LT6110 di regolare la tensione di uscita di una vasta gamma di regolatori. Entrambe possono anche essere usate per monitorare la corrente di carico. Un basso offset in DC consente di utilizzare un piccolo resistore di rilevamento e di effettuare un controllo preciso di piccole variazioni della caduta di tensione nel cavo.

Fig. 5b – La traccia rossa mostra la scarsa regolazione senza compensazione della caduta di tensione, mentre la traccia blu indica il miglioramento ottenuto grazie all’LT6110

Con il resistore interno l’LT6110 è in grado di rilevare correnti di carico fino a 3 amp, mentre quello esterno può essere usato per rilevare correnti maggiori. Sono disponibili due uscite in modalità di corrente, entrambe adatte per il controllo della caduta di tensione nel cavo o per un semplice monitoraggio della corrente. Un basso offset in DC consente di utilizzare un piccolo resistore di rilevamento e di controllare con precisione piccole cadute di tensione nel cavo, mentre la larghezza di banda del segnale a 180kHz consente una risposta rapida alle variazioni del carico. Grazie a questa combinazione di funzionalità, l’LT6110 può essere usato con qualsiasi tipo di regolatore e in una vasta gamma di applicazioni. Questa soluzione, piccola, semplice ed economica, non richiede l’aggiunta di regolatori ‘point-of-load’ o di cavi di rilevamento e consente l’uso di fili più sottili. Grazie al dispositivo LT6110 è di nuovo facile collegare un alimentatore al suo carico.

Note:

(1)   LTSpice IV include un simulatore SPICE ad alte prestazioni, un sistema di acquisizione degli schemi e un visualizzatore delle forme d’onda ed è scaricabile gratuitamente dal sito di Linear Technology

(2)   Volete provare questo circuito? Cliccate qui LTSpice

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