Использование 4-проводной схемы питания и измерения для стабилизации напряжения на нагрузке

Алексей Телегин

    Приходилось ли вам устанавливать выходное напряжение источника питания на некоторое значение, а затем обнаруживать, что напряжение на нагрузке меньше установленного? Если для вашего измерения это было приемлемо, то вы, вероятно, оставляли все как есть. Но если вы хотели, чтобы на нагрузке было напряжение, определенное требованиями спецификации, то вам приходилось завышать напряжение на источнике или же использовать дополнительные измерительные входы источника.

    Измерительные входы есть у многих источников питания, они позволяют источнику стабилизировать напряжение прямо на нагрузке. Это достигается за счет применения комплекта измерительных проводов в дополнение к проводам, через которые подается питание на нагрузку. Источник питания использует напряжение на измерительном входе для стабилизации напряжения непосредственно на нагрузке.

    Давайте рассмотрим схему на рис. 1, показывающую источник питания с установленным выходным напряжением 5 В (напряжением, которое мы хотим получить на нагрузке). Если нагрузка подключена проводами длиной 1,8 м, а сечение этих проводов составляет 2 мм² (с сопротивлением около 8,33 мОм/м), сопротивление каждого провода будет равно приблизительно 0,015 Ом. При токе 10 А на каждом проводе будет падать напряжение примерно на 0,15 В (10 A × 0,015 Ом), что в сумме даст 0,3 В. Если источник питания стабилизирует напряжение на выходных клеммах, то в результате на нагрузке мы получим 4,7 В вместо необходимых 5 В.

Рис. 1 Влияние соединительных проводов длиной 1,8 м и сечением 2 мм²в случае, когда измерительные входы подключены к выходным клеммам.
Суммарное падение напряжения составляет 0,3 В (по 0,15 В на каждый провод).

    На рис. 2 показана та же схема, но с измерением на нагрузке. Измерительные провода подключаются к нагрузке именно в тех точках, на которых вы хотите получить напряжение 5 В. В этом случае источник питания стабилизирует напряжение на нагрузке, выставляя выходное напряжение на 5,3 В и компенсируя падение напряжения на проводах. Для этого он снимает напряжение непосредственно с нагрузки и подает его в цепь обратной связи для регулировки напряжения на выходных клеммах источника. Цель источника питания — поддержание установленного напряжения в точках, к которым подключены измерительные входы. Источник питания регулирует напряжение на выходных клеммах в соответствии с напряжением, подаваемым на измерительные входы. Входное сопротивление измерительного входа достаточно велико, что предотвращает протекание большого тока по измерительным проводам — это делает падение напряжения на проводах датчика пренебрежимо малым.

Рис. 2 Использование измерительного входа для компенсации падения напряжения на проводах.

Что такое четырехквадрантный источник питания?

    Для того чтобы ответить на этот вопрос, я начну с общего определения полярности. На рис. 1 показан типовой двухполюсный источник питания с фиксированной полярностью напряжения и тока. Стандартный источник питания обычно является источником энергии. Для этого ток должен вытекать из полюса с положительным потенциалом. Большинство источников питания подают энергию именно таким образом, выдавая положительное выходное напряжение и положительный выходной ток. Такой источник называется униполярным, поскольку он выдает напряжение только одной полярности. Полярностью источника питания принято считать полярность напряжения (а не направление тока).

Рис. 1

    Если ток втекает в положительный полюс источника, то источник питания потребляет ток и ведет себя как электронная нагрузка — поглощая и рассеивая энергию, вместо того чтобы выдавать ее. Большинство источников питания этого не делают, хотя многие источники питания Keysight могут при необходимости потреблять некоторый ток для быстрого снижения выходного напряжения — это называется способностью к снижению напряжения (down-programming).

    Для полного описания выходного напряжения и тока источника питания используется диаграмма с декартовыми координатами. Декартовы координаты отображают два параметра на двух перпендикулярных осях. На рис. 2 показаны четыре квадранта декартовых координат. Квадранты принято обозначать римскими цифрами. Для источников питания по вертикальной оси обычно откладывается напряжение, а по горизонтальной — ток. Эта система координат используется для определения рабочей точки данного источника питания. Кривая, которая очерчивает границу, окружающую область допустимых рабочих точек в системе координат, называется выходной характеристикой источника питания.

Рис. 2

    Как уже говорилось, некоторые источники питания являются униполярными (выдают напряжение одной полярности), но могут при этом выдавать или потреблять ток. Такие источники питания способны работать в квадрантах I и II и поэтому называются двухквадрантными. В квадранте I источник питания будет отдавать мощность, и при этом ток будет вытекать из полюса с положительным потенциалом. В квадранте II источник питания будет потреблять мощность, и ток будет втекать в полюс с положительным потенциалом.

    Некоторые источники питания могут выдавать положительное или отрицательное напряжение без переключения внешних проводов. Как правило, такие источники питания могут работать во всех четырех квадрантах и поэтому именуются четырехквадрантными источниками питания. Иногда еще их называют биполярными, поскольку они подают на выход как положительное, так и отрицательное напряжение. В квадрантах I и III источник питания является источником энергии: ток вытекает из полюса с положительным потенциалом. В квадрантах II и IV источник питания является потребителем энергии: ток втекает в полюс с положительным потенциалом (см. рис. 3).

    Примером биполярного источника питания является Keysight N6784A. Он может подавать или потреблять ток, и его выходное напряжение может быть положительным или отрицательным. Он представляет собой источник питания/измеритель (SMU) мощностью 20 Вт с несколькими выходными диапазонами. Выходная характеристика N6784A показана на рис. 4.

Рис. 4

    Итак, четырехквадрантным источником питания называется источник, способный выдавать положительное и отрицательное выходное напряжение и подавать или потреблять ток. Такой источник может работать во всех четырех квадрантах диаграммы напряжение-ток.

    Ссылка на блог по источникам питания Keysight Technologies:

Материалы предоставлены Группой компаний "Диполь": https://www.dipaul.ru

Понравилась статья? Поставьте лайк 3

Электроника Контроль, испытания, исследования Электрический контроль Измерительное оборудование Измерительное оборудование Keysight Technologies Keysight Technologies