Pytanie:

Czy można użyć cyfrowego potencjometru do sterowania regulowanym napięciem?

Odpowiedź:

Tak, można użyć na przykład potencjometru sterowanego przyciskami.

W artykule opisano pełne rozwiązanie, w którym napięcie do 20 V jest łatwo i efektywnie sterowane za pomocą cyfrowego potencjometru o rezystancji ustawianej za pomocą przycisków. Rozwiązanie to można stosować w różnych aplikacjach, w których wymagana jest wygodna regulacja napięcia. Rysunek 1 przedstawia schemat przetwornicy impulsowej o zmiennej mocy wyjściowej. Projekt wykorzystuje potencjometr cyfrowy AD5116 i komparator ADCMP371 z wbudowanym przeciwsobnym stopniem wyjściowym. Jeśli zamiast przycisków dodamy klucze tranzystorowe, to napięcie można równie dobrze regulować z poziomu mikrokontrolera.

AD5116 oferuje 64 pozycje ustawienia rezystancji, a także tolerancję na poziomie ±8%. Dodatkowo układ zawiera pamięć EEPROM do przechowywania pozycji potencjometru, co można ustawić ręcznie za pomocą przycisku ASE. Funkcja ta przydaje się w rozwiązaniach wymagających stałej ustalonej pozycji potencjometru np. podczas włączania systemu.

Cały obwód zasilany jest napięciem V_IN o wartości do 20 V. Napięcie V_DD zasilające układy AD5116 i ADCMP371 może być również osobno generowane z napięcia V_IN, np. za pomocą stabilizatora napięcia ADP121.

Rysunek 1. Układ przetwornicy impulsowej o regulowanym napięciu wyjściowym sterowanym przyciskami

Zasada działania obwodu

Napięcie wyjściowe V_OUT jest zależne od częstotliwości sygnału w obwodzie sprzężenia zwrotnego. V_OUT jest przesyłane z powrotem do komparatora przez dzielnik napięcia, a następnie porównywane z napięciem odniesienia ustawianym za pomocą potencjometru cyfrowego. Jeśli napięcie wyjściowe jest wyższe niż napięcie odniesienia, to wyjście komparatora przełącza się w stan niski, wyłączając w ten sposób zarówno tranzystor NMOS T1, jak i tranzystor PMOS T2, co z kolei powoduje spadek napięcia V_OUT. Jeśli natomiast napięcie pochodzące z V_OUT jest niższe niż napięcie odniesienia, wyjście komparatora przełącza się w stan wysoki, a oba tranzystory w stan przewodzenia, przez co zwiększa się napięcie V_OUT. Taka funkcja porównywania napięć pozwala tranzystorom pracować w warunkach częstego włączania i wyłączania (impulsowych). Dzięki temu straty mocy na tranzystorze utrzymane są na niskim poziomie. Oprócz napięcia wyjściowego potencjometru, na częstotliwość przełączania ma również wpływ obciążenie wyjścia układu.

Wraz ze wzrostem napięcia wyjściowego potencjometru, rośnie także napięcie wyjściowe układu. Tranzystor T2 włącza się częściej, co pozwala ładować kondensatory do wyższego napięcia. Komparator dostarcza więc serię krótkich dodatnich impulsów o wyższej częstotliwości. Natomiast gdy napięcie wyjściowe potencjometru zmniejsza się, układ przełącza się wolniej (z niższą częstotliwością).

Wzór na napięcie wyjściowe

Napięcie V_OUT zależy od napięcia otrzymywanego z potencjometru cyfrowego. Jest określone przez równanie 1.

V_W oznacza napięcie wyjściowe potencjometru na odczepie W.

Rezystancja między wyprowadzeniem A i B w układzie AD5116 wynosi nominalnie 5 kΩ i jest podzielona na 64 stopnie. Na dolnym końcu skali rezystancja R_W spada do minimalnego poziomu wynoszącego typowo 45…70 Ω.

Napięcie wyjściowe V_W w stosunku do masy wynosi:

gdzie R_WB:

R_WB to wartość minimalnej rezystancji pomiędzy odczepem W a masą.

R_AB to całkowita rezystancja potencjometru.

V_A to napięcie dodatniego bieguna zasilania dzielnika; w tym przypadku równe V_DD.

D to pozycja potencjometru, przechowywana w rejestrze RDAC układu AD5116.

Zawartością rejestru RDAC w AD5116 można zarządzać za pomocą przycisków PD i PU. Domyślne położenie po włączeniu zasilania, np. VOUT = 0 V, można zapisać w pamięci EEPROM potencjometru za pomocą pinu ASE.

Filtr redukujący tętnienia

Aby wygładzić napięcie wyjściowe V_OUT i zredukować tętnienie spowodowane przełączaniem T1 i T2, zastosowano dodatkowy układ filtra (patrz rysunek 2). Podczas projektowania takiego filtra należy wziąć pod uwagę maksymalne i minimalne częstotliwości przełączania ,a także zakres napięcia roboczego układu AD5116.

Rysunek 2. Układ filtra do wygładzania napięcia wyjściowego

Dla układu pokazanego na rysunku 2 częstotliwość przełączania zawiera się w przedziale od około 1,8 Hz do 500 Hz. Do budowy filtra na tak niskie częstotliwości zwykle wymagane są stosunkowo wysokie wartości R, L i C. Szeregowy rezystor filtru i obciążenie wyjściowe tworzą jednak dzielnik napięcia, który zmniejsza napięcie wyjściowe. W takim wypadku wartość R powinna być stosunkowo niska.

W obwodzie zastosowano prosty filtr dolnoprzepustowy RLC. R i C mają odpowiednio wartości 50 Ω i 330 μF, natomiast L = 100 nH. Układ można także zbudować stosując do sterowania tranzystorami modulator PWM, a także wzmacniacz błędu w pętli sprzężenia zwrotnego.

Więcej informacji o układzie omawianym w artykule znajdziesz na stronie projektu referencyjnego: CN-0405: High Voltage Output DAC with Push-Button Control