Spannungsregler Analog-Regler kompensiert Leitungswiderstand

Ein Controller für Spannungsregler ermittelt automatisch den Zuleitungswiderstand zur Last und ermöglicht dem Spannungsregler eine Nachregelung der Ausgangsspannung. Das Ergebnis ist eine nahezu konstante Spannung an der Last, wie sie sonst nur PoL-Regler (Point of Load) einstellen können.

Bisher wurde ein Leitungswiderstand entweder über Fernmessung und Gegenkopplung oder über eine negative innere Impedanz des Reglers ausgeglichen. Dies setzt stets eine vorherige Kalibrierung voraus. Vierdrahtleitungen sind oft nicht möglich, auf jeden Fall aber umständlich. Das gilt auch für die Methode der Ausgleichsimpedanz, zumal diese nicht die unvermeidlichen Abweichungen nach der Kalibrierung berücksichtigt, etwa die Veränderungen der Kontaktwiderstände von Steckverbindern. Linear Technology geht dieses Problem mit einer neuen Technik an: „Virtual Remote Sense Control“ (VRS, Bild 1).

Damit lassen sich Halogenlampen, Computer und andere elektrische Verbraucher auch über lange Zuleitungen mit einer stabilen Spannung versorgen. Dabei wird die Schaltungstechnik erheblich vereinfacht und Energie eingespart.

Bei der Entwicklung des entsprechenden Bausteins „LT4180“ haben die Ingenieure des amerikanischen Halbleiter-Herstellers tief in die Trickkiste gegriffen und eine pfiffige Idee in Silizium umgesetzt: Für die Kompensation wird lediglich ein Strommesswiderstand in die Ausgangsschleife eingefügt (Bild 2). Der LT4180 fragt den Spannungsabfall über dem Widerstand periodisch ab und moduliert über den Sensor- Anschluss des Reglers die Ausgangsspannung mit einem Rechtecksignal, das eine Modulationstiefe von 5 Prozent aufweist, und dessen Frequenz sich zwischen 500 Hz und 2 kHz einstellen lässt. Für eine galvanische Trennung lässt sich das Modulationssignal über einen Optokoppler anbinden, den der Regler zudem mit einem Treiberstrom von 5 mA (max.) versorgen kann.

Die mögliche Ausgangsspannungsvariation von insgesamt 10 Prozent verteilt sich über den Sensor- und den Zuleitungswiderstand. Der Spannungsabfall über den Pufferkondensator an den Lastklemmen ist vernachlässigbar, weil dessen Impedanz für den Wechselstrom einen Kurzschluss darstellt. Da der Wert des Sensor-Widerstandes bekannt ist, kann der LT4180 den Leitungswiderstand einfach errechnen und daraus das Korrektursignal für den Regler ableiten.

Bild 3 zeigt die Spannung an der Last in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an der Zuleitung. Gewissermaßen fließt also eine Art „Phantomstrom“, der eine Messung des Leitungswiderstands ermöglicht, so dass die Regel-Elektronik eine Korrekturmöglichkeit für den Spannungsabfall bis zur Last bekommt. Durch die Korrektur wird der Laststrom nicht beeinträchtigt. Die dem Gleichstrom überlagerte Wechselstromkomponente stört wegen des Puffer-Kondensators das Regelverhalten nicht merklich, wie das Oszillogramm in Bild 1 zeigt. Für den Fall, dass die Last periodisch schwankt, bietet der LT4180 statt einer festen Modulationsfrequenz auch die Möglichkeit der Frequenzspreizung, so dass gegebenenfalls störende Schwebefrequenzen nicht auftreten können.

Im Vergleich zu Schaltungen ohne Kompensation wird laut Hersteller mit dem LT4180 eine Verbesserung um den Faktor 50 erreicht. Der Baustein lässt sich mit jedem gängigen Spannungsregler betreiben. Seine interne Spannungsreferenz ist auf 1 Prozent genau. Er kann mit Eingangsspannungen von 3 V bis 52 V betrieben werden, die Ausgangsspannung kann zwischen 1,21 V und 50 V eingestellt werden. Einschaltstromstößen wirkt der VRS-Controller mit einer Soft-Korrektur entgegen. Betrieb ist von –40 bis +125 °C (Grenzschichttemperatur) zulässig. Der Baustein ist in einem 24- poligen SSOP untergebracht.