Řešení výstupu s nastavitelným napětím s využitím tlačítkového digitálního potenciometru

Odpověď:

Použitím tlačítkového digitálního potenciometru.

 

Tento článek popisuje úplné řešení, které umožňuje řídit napětí až 20 V jednoduše a účinně pomocí digitálního tlačítkového potenciometru. Úplné řešení představuje nastavitelný zdroj napětí, který je využitelný v nejrůznějších aplikacích, u nichž je vyžadováno nastavitelné napětí. Obr. 1 ukazuje odpovídající spínací regulátor s proměnným výstupním výkonem, osazený digitálním potenciometrem AD5116 a komparátorem ADCMP371, s integrovaným výstupním stupněm push-pull. Připojením spínače namísto tlačítka je možné napětí nastavovat mikrokontrolérem.

AD5116 má 64 možných poloh jezdce s tolerancí celkového odporu ±8 %. Obvod také obsahuje paměť EEPROM k uložení polohy jezdce, kterou lze ručně nastavit pomocí tlačítka. Tato funkce je užitečná v těch aplikacích, ve kterých je požadována jeho pevná výchozí poloha při zapnutí napájení.

Obvod je napájen napětím V_IN, jehož hodnota může být až 20 V. Napájecí napětí V_DD pro AD5116 a ADCMP371 lze rovněž vytvořit z V_IN, např. prostřednictvím napěťového regulátoru, jako je ADP121.

 

Obr. 1. Spínací regulátor vyššího napětí s proměnným výstupem řízený tlačítkem

Funkční princip obvodu

Výstupní napětí V_out je řízeno prostřednictvím spínacího kmitočtu zpětnovazební sítě. Je vedeno zpět na vstup komparátoru přes dělič napětí a porovnáno se vztažným napětím nastaveným digitálním potenciometrem. Pokud je napětí odvozené z V_out vyšší než je vztažné napětí, výstup komparátoru přejde do nízké úrovně, čímž uzavře jak tranzistor NMOS T1, tak PMOS T2, což způsobí snížení V_out. Pokud je napětí odvozené z V_out nižší, výstup komparátoru přejde do vysoké úrovně a dvojice tranzistorů se otevře do saturace, což způsobí zvýšení výstupního napětí. Pomocí této funkce, založené na porovnávání napěťových úrovní, pracují tranzistory ve spínacím režimu on-off s krátkými pulzy, což udržuje jejich ztráty na nízké úrovni. Spínací kmitočet je ovlivněn velikostí zátěže při daném V_out a také výstupním napětím potenciometru.

Tak jak se výstupní napětí DA převodníku zvyšuje, T2 je zavřený delší čas a podle toho je výstup komparátoru na vysoké úrovni. Výstup komparátoru vytváří sérii rychlejších kladných pulzů o vyšším kmitočtu. Opačný proces nastane, když se výstupní napětí DA převodníku snižuje.

Filtrované V_out je určené rovnicí 1:

kde V_w je výstupní napětí DA převodníku na jezdci potenciometru.

Jmenovitá hodnota odporu mezi odbočkami A a B je 5 kΩ a je rozdělená do 64 kroků. Na dolním konci rozsahu klesne typická hodnota R_W na 45 Ω až 70 Ω. Výstupní napětí v závislosti na potenciálu GND je:

z čehož pro R_WB platí:

kde R_WS je hodnota odporu mezi odbočkou W a GND na dolním konci rozsahu,
R_AB celková hodnota odporu potenciometru,
V_A je napětí na horním konci řetězce děliče: v tomto případě je rovno V_DD,
D je dekadický ekvivalent binárního kódu v registru R_DAC AD5116.

Registr R_DAC AD5116 je řízen pomocí tlačítek PD a PU. Výchozí poloha při zapnutí (např. V_out = 0 V) může být uložena v paměti EEPROM potenciometru prostřednictvím vývodu ASE.

Výstupní filtrace: Snížení zvlnění

 

K vyhlazení výstupního napětí V_out a snížení zvlnění způsobeném spínáním T1 a T2 se používá přídavný filtrační obvod (viz obr. 2). Při návrhu filtru je třeba přihlédnout k maximálnímu a minimálnímu spínacímu kmitočtu a rozsahu provozního napětí AD5116.

Spínací kmitočet obvodu na obr. 2 se mění v přibližném rozsahu 1,8 Hz až 500 Hz. Vzhledem k tomu, že se jedná o dosti nízké kmitočty, je obvykle třeba relativně vysokých hodnot R, L a C při dimenzování lomového kmitočtu filtru. Sériový odpor filtru a výstupní zátěž nicméně tvoří napěťový dělič, který snižuje výstupní napětí. Z toho důvodu je třeba volit hodnotu R relativně nízkou.

Do obvodu byla začleněna jednoduchá dolní propust RLC s hodnotami R=50 Ω, C=330 µF a L=100 nH. Obvod lze případně vytvořit s modulátorem PWM k buzení tranzistorů a chybovým zpětnovazebním zesilovačem.

 

Obr. 2. Převodní charakteristiky intenzity osvětlení pro červenou, zelenou a modrou fotodiodu

Odkaz:
CN-0405: High Voltage Output DAC with Push-Button Control. Analog Devices, Inc., March 2017