Spannungsabfall-Kompensation Spannungsregelung über beliebig lange Leitungsverbindungen

Ein Problem bei Stromverteilungssystemen ist häufig die beeinträchtigte Regelung infolge des Spannungsabfalls an der Leitung zwischen Regler und Verbraucher. Die präzise Regelung ist auch ohne zusätzliche Messleitungen, Kelvin-Widerstände, größere Leiterquerschnitte oder Point-of-Load-Regler möglich: Kompensator-Lösungen kommen mit wenig Platz aus, minimieren die Designkomplexität und die Bauelementekosten.

Ein Problem, das bei Stromverteilungssystemen häufig auftritt, ist die beeinträchtigte Regelung infolge des Spannungsabfalls an der Leitung zwischen Regler und Verbraucher. Jede Zunahme des Leitungswiderstands, der Leitungslänge oder des Laststroms lässt den Spannungsabfall entlang der Leitung ansteigen, sodass die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Reglers und der am Verbraucher tatsächlich ankommenden Spannung immer größer wird.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Regeleigenschaften bei langen Leitungen besteht darin, die Spannung mithilfe einer vieradrigen Kelvin-Verbindung zwischen Regler und Last direkt am Verbraucher zu messen. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass zusätzliche Leitungen zum Verbraucher verlegt werden müssen und dass in der Nähe des Verbrauchers ein Kelvin-Widerstand platziert werden muss. Entsprechend ungeeignet ist diese Methode, wenn der Verbraucher nicht zugänglich ist, um diese Modifikationen vorzunehmen.

Eine andere Methode minimiert den Spannungsabfall durch Anheben des Leiterquerschnitts, was den Widerstand zwischen Regler und Last verringert. Was in elektrischer Hinsicht einfach ist, kann sich allerdings mechanisch durchaus kompliziert gestalten – ganz abgesehen vom erhöhten Platzaufwand und den Mehrkosten.

Eine Alternative zur Verlegung zusätzlicher Leitungen besteht darin, den Spannungsabfall gleich am Regler zu kompensieren. Der Cable/Wire Drop Compensator LT6110 macht dies möglich, ohne dass sich der Verkabelungsaufwand zwischen Regler und Last erhöht. Der vorliegende Artikel zeigt, wie der LT6110 die Regeleigenschaften verbessern kann, indem er einen großen Bereich von Spannungsabfällen zwischen Regler und Verbraucher kompensiert.

Der Cable/Wire Compensator LT6110

Bild 1 veranschaulicht das Prinzip der einadrigen Spannungsabfall-Kompensation. Nur wenn sich der entfernte Verbraucher nicht auf demselben Massepotenzial befindet wie der Regler, sind zwei Adern erforderlich: eine zum Verbraucher und eine Masse-Rückleitung. Der High-side-Verstärker LT6110 ermittelt den Laststrom über die am Messwiderstand R_SENSE abfallenden Spannung V_SENSE. Er gibt daraufhin einen Strom I_IOUT aus, der proportional zum Laststrom I_LOAD ist.

Mithilfe des Widerstands R_IN lässt sich I_IOUT auf Werte zwischen 10 µA und 1 mA programmieren. Die Kompensation des an der Verbindungsleitung entstehenden Spannungsabfalls V_DROP erfolgt durch Ableiten von I_OUT über den Feedback-Widerstand R_FA mit dem Ziel, die Ausgangsspannung genau um V_DROP anzuheben. Das Design mit dem Cable/Wire Compensator LT6110 ist denkbar einfach: das Produkt aus I_IOUT und R_FA muss lediglich so eingestellt werden, dass es gleich dem maximalen Spannungsabfall an der Leitung ist.

Der LT6110 enthält einen eingebauten Messwiderstand R_SENSE von 20 mΩ. Dieser eignet sich für Lastströme bis zu 3 A. Für größere I_LOAD-Werte wird dagegen ein externer Messwiderstand benötigt. Hierfür kann ein dedizierter Messwiderstand verwendet werden, ebenso aber auch der Gleichstromwiderstand einer Spule oder eine Leiterbahn. Neben der Stromsenke I_IOUT steht am I_MON-Pin des LT6110 eine Stromquelle zur Verfügung, mit der sich strombezogene Linearregler wie der LT3080 kompensieren lassen.

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