Spadek napięcia DC po podłączeniu odbiornika – przyczyny, rezystancja, zasilacze, przewody

Pytanie

Dlaczego spada napięcie dc po podłączeniu odbiornika.

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Napięcie na wyjściu źródła DC spada po podłączeniu odbiornika, ponieważ pojawia się prąd, który płynąc przez nieuniknioną rezystancję wewnętrzną źródła, przewodów i styków wytwarza spadek napięcia zgodnie z prawem Ohma.
• Kluczowe przyczyny: rezystancja wewnętrzna źródła, rezystancja przewodów i połączeń, chwilowe prądy rozruchowe odbiornika, wzrost rezystancji wraz z temperaturą i starzeniem komponentów.

Szczegółowa analiza problemu

1. Model zastępczy
   • Idealne źródło napięcia \(E\) + rezystancja wewnętrzna \(R_{\text{w}}\) + rezystancje toru zasilania \(R_{\text{przew}}\) → obciążenie \(R_{\text{L}}\).
   • Napięcie na odbiorniku:
   \[ U{\text{L}} = E - I\,(R{\text{w}} + R{\text{przew}}) \]
   gdzie \(I = \dfrac{E}{R_{\text{L}}+R_{\text{w}}+R\{\text{przew}}}\).

2. Rezystancja wewnętrzna źródła
   • Baterie/akumulatory – zależy od chemii, temperatury, stopnia rozładowania; rośnie wraz z wiekiem.
   • Zasilacze impulsowe – dynamiczna impedancja (kilka-kilkanaście mΩ w nowoczesnych konstrukcjach).
   • Zjawisko „przysiadania” napięcia przy dużych prądach impulsowych.

3. Rezystancja przewodów i połączeń
   • R = ρ·l/S. Długie lub cienkie przewody (np. 2×10 m AWG20) mogą dodać setki miliomów.
   • Styki, złącza, przekaźniki: rezystancja <10 mΩ w stanie idealnym; luźne lub skorodowane – nawet kilka Ω ⇒ gwałtowny spadek napięcia i lokalne grzanie.

4. Prądy rozruchowe i impedancja dynamiczna odbiorników
   • Silniki DC: prąd rozruchowy 5-10× prądu znamionowego.
   • Ładowanie kondensatorów filtrujących w elektronice: krótki impuls o niskiej impedancji.
   • LED-y dużej mocy – ujemna rezystancja dynamiczna, wrażliwość na spadki napięcia.

5. Wpływ temperatury
   • Wzrost rezystywności miedzi o ~0,4 %/°C.
   • Podgrzanie przewodów lub baterii pogłębia zjawisko.

6. Efekty długoterminowe
   • Starzenie akumulatorów (wzrost \(R_{\text{w}}\)).
   • Utrata elastyczności przewodów (korozja, pęknięcia żył).

Aktualne informacje i trendy

• Nowoczesne akumulatory Li-ion (np. LiFePO₄) osiągają rezystancję wewnętrzną poniżej 3 mΩ/cela, co znacząco redukuje spadki napięcia.
• Zasilacze impulsowe z GaN i SiC pozwalają na bardzo niską impedancję wyjściową i algorytmy „load-step response” <100 µs.
• Coraz częściej stosuje się zdalny pomiar napięcia (remote sense) oraz lokalne przetwornice DC-DC przy odbiorniku.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Porównanie: nowa bateria AA (Rw≈0,15 Ω) przy prądzie 500 mA generuje spadek 75 mV; zużyta (1 Ω) – aż 0,5 V.
• Analogia hydrauliczna: Rury (przewody) o ograniczonej średnicy generują spadek ciśnienia (napięcia) proporcjonalny do przepływu (prądu).
• Pomiar Kelvinowski (4-przewodowy) eliminuje wpływ rezystancji przewodów podczas pomiaru.

Aspekty etyczne i prawne

• PN-HD 60364-5-52 i PN-EN 60204-1: dopuszczalny spadek napięcia w instalacjach nn <3 % (oświetlenie) lub <5 % (pozostałe obciążenia).
• Nadmierne spadki ⇒ ryzyko przegrzania przewodów, pożaru, błędnego działania elektroniki bezpieczeństwa.
• Akumulatory litowe: zgodność z transportem ADR/UN 38.3; prawidłowa utylizacja (Dyrektywa 2006/66/WE).

Praktyczne wskazówki

1. Dobór przewodów
   • Wyznacz prąd maks. i dopuszczalny spadek \(ΔU\).
   • Oblicz minimalny przekrój z \(S ≥ \dfrac{ρ·l·I}{ΔU}\).
2. Zasilacz
   • Zapas prądowy ≥30 % nad szczytowe obciążenie.
   • Funkcja remote sense lub lokalna liniowa/impulsowa stabilizacja.
3. Diagnostyka
   • Pomiary: napięcie bez obciążenia, pod obciążeniem, metoda 4-przewodowa.
   • Termowizja połączeń – szybka lokalizacja punktów o podwyższonej rezystancji.
4. Minimalizacja spadków chwilowych
   • Kondensatory buforowe niskiego ESR blisko odbiornika.
   • Miękki start (soft-start) silników, NTC, układy rampy prądu.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Wysokie prądy rozruchowe mogą powodować krótkotrwałe spadki, które nie są widoczne na wolniejszych miernikach – stosuj rejestratory lub oscyloskop.
• Rezystancja wewnętrzna rośnie z wiekiem źródła; nawet poprawne pomiary bez obciążenia nie ujawnią problemu.
• Zbyt duży przekrój przewodów podnosi koszty i masę; należy szukać kompromisu.

Sugestie dalszych badań

• Nowe chemie akumulatorów o ultra-niskim \(R_{\text{w}}\) (solid-state, litowo-siarkowe).
• Przewody aluminiowe pokryte Cu (CCA) – analiza długoterminowej niezawodności.
• Sterowane źródła prądowe kontra napięciowe w aplikacjach LED – wpływ na spadki.
• Zastosowanie magistrali 48 V i lokalnych przetwornic – standard Open Compute.

Krótkie podsumowanie

Spadek napięcia po podłączeniu obciążenia to naturalny efekt produktu prądu i sumarycznej rezystancji toru zasilania. Jego wielkość zależy od rezystancji wewnętrznej źródła, przewodów, styków oraz charakteru odbiornika. Minimalizujemy go przez dobór zasilacza o niskim \(R_{\text{w}}\), grubsze i krótsze przewody, solidne połączenia, lokalną stabilizację oraz diagnostykę przy pomocy pomiarów pod obciążeniem.