Thomas Brand
Analog Dialogue
Вопрос:
Как я могу использовать цифровой потенциометр для получения регулируемого выходного напряжения?
Ответ:
Используя цифровой потенциометр с кнопочным управлением.
В этой статье описывается законченное решение, в котором с помощью цифрового потенциометра с кнопочным управлением можно легко и эффективно регулировать напряжение до 20 В. Схема представляет собой управляемый источник питания и может использоваться в различных приложениях, где требуется регулируемое выходное напряжение. На Рисунке 1 показан соответствующий импульсный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением, в котором используются цифровой потенциометр AD5116 и компаратор ADCMP371 с двухтактным выходным каскадом. Если заменить кнопку коммутатором, напряжение можно регулировать с помощью микроконтроллера.
 |
||
| Рисунок 1. | Высоковольтный импульсный регулятор с кнопочным управлением выходным напряжением. | |
AD5116 имеет 64 позиции движка с разбросом полного сопротивления цепочки резисторов не более ±8%. Кроме того, AD5116 содержит EEPROM для хранения позиции движка, которую можно задать вручную с помощью кнопки. Эта функция полезна в приложениях, где при включении питания движок должен находиться в фиксированном стандартном положении.
Схема питается напряжением VIN, величина которого может достигать 20 В. Напряжение питания VDD для микросхем AD5116 и ADCMP371 также можно получить из VIN, например, с помощью регулятора напряжения ADP121.
Принцип работы схемы
Выходное напряжение VOUT регулируется частотой переключения цепи обратной связи. Через делитель напряжения оно подается на вход компаратора, который сравнивает его с опорным напряжением, задаваемым цифровым потенциометром. Если напряжение на выходе делителя выше, чем опорное напряжение, уровень выходного сигнала компаратора становится низким, и оба MOSFET – n-канальный Т1 и p-канальный Т2 – закрываются, вследствие чего VOUT уменьшается. Если напряжение на выходе делителя ниже опорного напряжения, уровень сигнала на выходе компаратора становится высоким, и два транзистора открываются, увеличивая VOUT. Благодаря этой функции, основанной на сравнении напряжений, транзисторы работают в режиме переключения с короткими импульсами, что снижает потери в транзисторах. Помимо выходного напряжения потенциометра на частоту коммутации влияет величина нагрузки на выходе VOUT.
По мере увеличения выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), транзистор T2 выключается на более длительное время, и, соответственно, уровень выходного сигнала компаратора становится высоким. На выходе компаратора формируется серия более быстрых положительных выходных импульсов с более высокой частотой. Обратное происходит при уменьшении выходного напряжения ЦАП.
Отфильтрованное напряжение VOUT определяется выражением (1).
 |
(1) |
где VW – выходное напряжение ЦАП на выводе движка потенциометра W.
Номинальное сопротивление 5 кОм между выводами A и B потенциометра AD5116 делится на 64 шага. В нижней части шкалы типовое сопротивление RW движка имеет значение от 45 Ом до 70 Ом. Напряжение на выходе VW относительно шины GND равно
 |
(2) |
при этом RWB принимает значение
 |
(3) |
где
RWB – сопротивление между движком W и GND в нижней части шкалы;
RAB – общее сопротивление потенциометра;
VA – напряжение на верхнем конце делителя напряжения, равное в данном случае VDD;
D – десятичный эквивалент двоичного кода в регистре RDAC микросхемы AD5116.
Регистр RDAC микросхемы AD5116 управляется кнопками, подключенными к выводам PD and PU. Позиция по умолчанию, например, VOUT = 0 В, устанавливающаяся при включении питания, записывается во внутреннее EEPROM потенциометра с помощью вывода ASE.
Снижение пульсаций выходного напряжения
Для сглаживания выходного напряжения VOUT и снижения пульсаций, обусловленных переключением транзисторов T1 и T2, используется дополнительная схема фильтра (Рисунок 2). При разработке этого фильтра следует учитывать максимальную и минимальную частоту переключения и диапазон рабочих напряжений AD5116.
 |
||
| Рисунок 2. | Схема фильтра для сглаживания выходного напряжения. | |
Частота переключения схемы, показанной на Рисунке 2, находится в диапазоне примерно от 1.8 Гц до 500 Гц. Поскольку эти частоты довольно низки, для получения необходимой частоты среза фильтра обычно требуются относительно большие значения R, L и C. Однако последовательный резистор фильтра и выходная нагрузка образуют делитель напряжения, который снижает выходное напряжение. По этой причине сопротивление резистора R следует выбирать относительно низким.
В схеме реализован простой RLC фильтр нижних частот. R и C имеют величины 50 Ом и 330 мкФ, соответственно, а индуктивность L составляет 100 нГн. Альтернативный вариант схемы может быть сконструирован с использованием широтно-импульсного модулятора (ШИМ), управляющего транзисторами, и усилителя ошибки.
