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Aufbau eines regelbaren Spannungsausgangs mittels tastgesteuerten Digitalpotentiometer
In diesem Analog Tipp wird eine Komplettlösung beschrieben, bei der sich eine Spannung von bis zu 20 V mit einem tastgesteuerten Digitalpotentiometer einfach und effizient regeln lässt.
Die Schaltung stellt ein regelbares Netzteil dar und wird gerne für Versuchszwecke im Labor herangezogen. In Abbildung 1 ist exemplarisch eine entsprechende Schaltregler-Schaltung mit variabler Ausgangsleistung dargestellt. Dabei wird das digitale Potentiometer AD5116 und der Komparator ADCMP371 mit integrierter Gegentakt-Ausgangsstufe verwendet.
Das AD5116 weist 64 verschiedene Widerstandspositionen bei einer Toleranz über den Gesamtwiderstand von ±8 % auf. Der Baustein enthält zusätzlich ein EEPROM, welches die Widerstandsposition, die manuell über einen Druckknopf eingestellt ist, speichert. Diese Funktion ist bei Anwendungen hilfreich, die eine fixe Standardposition beim Einschalten erfordern.
Die Schaltung wird über die bis zu 20 V hohe Spannungsversorgung VIN gespeist. Hieraus kann gleichzeitig auch die Versorgungsspannung VDD für den AD5116 und den ADCMP371 generiert werden, beispielsweise über einen Spannungsregler wie den ADP121.
Abbildung 1:Druckknopfgesteuerter Hochspannungs-Schaltregler mit variabler Ausgangsleistung
Funktionsweise der Schaltung
Die Ausgangsspannung VOUT wird über die Schaltfrequenz des Rückkopplungsnetzes geregelt. Sie wird über einen Spannungsteiler auf den Komparator zurückgeführt und mit einer durch das Digitalpotentiometer eingestellten Referenzspannung verglichen. Ist die von Vout abgeleitete Spannung größer als die Referenzspannung, schaltet der Komparatorausgang in den „Low-Zustand“ wodurch sowohl der NMOS Transistor T1 als auch PMOS-Transistor T2 sperren - Vout sinkt. Ist die von Vout abgeleitete Spannung kleiner als die Referenzspannung, schaltet der Komparatorausgang auf „High“ und die beiden Transistoren wechseln in den leitenden Zustand - Vout nimmt zu. Durch diese vergleichende Funktionsweise arbeiten die Transistoren im Taktbetrieb mit kurzen Impulsen, was die jeweiligen Transistorverluste gering hält.
Die Schaltfrequenz wird neben der Ausgangsspannung des Potentiometers auch von der Last an Vout beeinflusst.
. Mit zunehmender DAC-Ausgangsspannung sperrt T2 für längere Zeit und der Komparatorausgang ist dementsprechend hoch. Der Komparatorausgang liefert dabei eine Reihe schnellerer, positiver Ausgangsimpulse mit einer höheren Frequenz. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die DAC-Ausgangsspannung verringert wird.
Die gefilterte Ausgangsspannung VOUT wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
VW ist dabei die DAC-Ausgangsspannung am Potentiometer-Abgriff W.
Der Widerstand zwischen den Abgriffen A und B des AD5116 beträgt nominell 5 kΩ und wird in 64 Stufen aufgeteilt. Am unteren Ende der Skala sinkt der typische Schleiferwiderstand RW, auf 45 Ω bis 70 Ω. Die Ausgangsspannung an VW in Bezug auf GND beträgt
wobei RWB sich folgendermaßen ergibt:
RWB ist der Widerstandswert zwischen Abgriff W und GND auf der unteren Skala.
RAB ist der Gesamtwiderstand des Potentiometers.
VA ist die Spannung am oberen Ende des Teilerstrings, in diesem Fall gleich VDD.
D ist das dezimale Äquivalent des Binärcodes im RDAC-Register des AD5116.
Das RDAC-Register des AD5116 wird mit den Drucktasten PD und PU gesteuert. Über den ASE-Pin kann eine Default-Position z.B. Vout = 0V beim Einschalten im EEPROM des Potentiometers abgespeichert werden.
Filterausgang – Reduzierung der Restwelligkeit
Um eine geglättete Ausgangsspannung VOUT zu erhalten und die durch das Takten von T1 und T2 verursachte Welligkeit zu reduzieren, wird eine zusätzliche Filterschaltung verwendet (siehe Abbildung 2). Bei der Auslegung dieses Filters sind die maximalen und minimalen Schaltfrequenz sowie der Betriebsspannungsbereich des AD5116 zu betrachten.
Die Schaltfrequenz befindet sich bei der dargestellten Schaltung im Bereich von etwa 1,8 Hz bis 500 Hz. Da diese recht gering ist, werden zur Dimensionierung der Grenzfrequenz des Filters normalerweise relativ große Werte von R, L und C benötigt. Der Serienwiderstand des Filters bildet jedoch mit der Ausgangslast einen Spannungsteiler, der die Ausgangsspannung wiederum reduziert. Daher sollte R relativ gering gewählt werden.
Abbildung 2: Filterschaltung zur Glättung der Ausgangsspannung
In der Schaltung wurde ein einfacher RLC-Tiefpassfilter implementiert. R und C sind mit 50 Ω bzw. 330 μF dimensioniert, L mit 100 nH.
Alternativ kann die Schaltung auch mit einem Pulsweitenmodulator (PWM), welcher die Transistoren ansteuert, und einem davor geschalteten Fehlerverstärker, aufgebaut werden.
Quelle
Autor: Thomas Brand / Copyright: © Analog Devices Inc.
Abbildung 1:Druckknopfgesteuerter Hochspannungs-Schaltregler mit variabler Ausgangsleistung
Funktionsweise der Schaltung
Die Ausgangsspannung VOUT wird über die Schaltfrequenz des Rückkopplungsnetzes geregelt. Sie wird über einen Spannungsteiler auf den Komparator zurückgeführt und mit einer durch das Digitalpotentiometer eingestellten Referenzspannung verglichen. Ist die von Vout abgeleitete Spannung größer als die Referenzspannung, schaltet der Komparatorausgang in den „Low-Zustand“ wodurch sowohl der NMOS Transistor T1 als auch PMOS-Transistor T2 sperren - Vout sinkt. Ist die von Vout abgeleitete Spannung kleiner als die Referenzspannung, schaltet der Komparatorausgang auf „High“ und die beiden Transistoren wechseln in den leitenden Zustand - Vout nimmt zu. Durch diese vergleichende Funktionsweise arbeiten die Transistoren im Taktbetrieb mit kurzen Impulsen, was die jeweiligen Transistorverluste gering hält.
Die Schaltfrequenz wird neben der Ausgangsspannung des Potentiometers auch von der Last an Vout beeinflusst.
. Mit zunehmender DAC-Ausgangsspannung sperrt T2 für längere Zeit und der Komparatorausgang ist dementsprechend hoch. Der Komparatorausgang liefert dabei eine Reihe schnellerer, positiver Ausgangsimpulse mit einer höheren Frequenz. Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die DAC-Ausgangsspannung verringert wird.
Die gefilterte Ausgangsspannung VOUT wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
VW ist dabei die DAC-Ausgangsspannung am Potentiometer-Abgriff W.
Der Widerstand zwischen den Abgriffen A und B des AD5116 beträgt nominell 5 kΩ und wird in 64 Stufen aufgeteilt. Am unteren Ende der Skala sinkt der typische Schleiferwiderstand RW, auf 45 Ω bis 70 Ω. Die Ausgangsspannung an VW in Bezug auf GND beträgt
wobei RWB sich folgendermaßen ergibt:
RWB ist der Widerstandswert zwischen Abgriff W und GND auf der unteren Skala.
RAB ist der Gesamtwiderstand des Potentiometers.
VA ist die Spannung am oberen Ende des Teilerstrings, in diesem Fall gleich VDD.
D ist das dezimale Äquivalent des Binärcodes im RDAC-Register des AD5116.
Das RDAC-Register des AD5116 wird mit den Drucktasten PD und PU gesteuert. Über den ASE-Pin kann eine Default-Position z.B. Vout = 0V beim Einschalten im EEPROM des Potentiometers abgespeichert werden.
Filterausgang – Reduzierung der Restwelligkeit
Um eine geglättete Ausgangsspannung VOUT zu erhalten und die durch das Takten von T1 und T2 verursachte Welligkeit zu reduzieren, wird eine zusätzliche Filterschaltung verwendet (siehe Abbildung 2). Bei der Auslegung dieses Filters sind die maximalen und minimalen Schaltfrequenz sowie der Betriebsspannungsbereich des AD5116 zu betrachten.
Die Schaltfrequenz befindet sich bei der dargestellten Schaltung im Bereich von etwa 1,8 Hz bis 500 Hz. Da diese recht gering ist, werden zur Dimensionierung der Grenzfrequenz des Filters normalerweise relativ große Werte von R, L und C benötigt. Der Serienwiderstand des Filters bildet jedoch mit der Ausgangslast einen Spannungsteiler, der die Ausgangsspannung wiederum reduziert. Daher sollte R relativ gering gewählt werden.
Abbildung 2: Filterschaltung zur Glättung der Ausgangsspannung
In der Schaltung wurde ein einfacher RLC-Tiefpassfilter implementiert. R und C sind mit 50 Ω bzw. 330 μF dimensioniert, L mit 100 nH.
Alternativ kann die Schaltung auch mit einem Pulsweitenmodulator (PWM), welcher die Transistoren ansteuert, und einem davor geschalteten Fehlerverstärker, aufgebaut werden.
Quelle
- Circuit Note CN-0405; High Voltage Output DAC with Push-Button Control; https://www.analog.com/media/en/reference-design-documentation/reference-designs/CN0405.pdf; Stand: 2017)
Autor: Thomas Brand / Copyright: © Analog Devices Inc.
