. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Návrh programovatelného zdroje proudu
16. března 2016 - 3:00 | Pandatron | Návrh programovatelného zdroje proudu | Komentářů: 0  

Návrh programovatelného zdroje proudu

Příklad návrhu tří verzí digitálně řízeného zdroje proudu s DAC s vysokým rozlišením (14- nebo 16-bitů), přesným OZ a výstupním proudovým zesilovačem.

Digitálně řízené zdroje proudu bývají kritickou součástí celé řady aplikací, jako jsou například obvody pro řízení spotřeby, otáček motoru, měření impedance, buzení snímačů či například pulzní oxymetry. V následujícím článku je uvedena konstukce celkem tří zdrojů proudu, které využívají digitální řízení prostřednictvím sériového rozhraním, obvody DAC, operační zesilovač a výstupní MOSFET.

Záměrně přitom byly zvoleny špičkové DAC převodníky s vysokým rozlišením (14- nebo 16-bitů), nízkou spotřebu v architektuře CMOS a se synchronním sériovým rozhraním. Obvody DAC AD5543 společnosti Analog Devices s rozlišením 16-bitů jsou dostupné v kompaktním (3 x 4,7 mm) provedení typu MSOP-8 a SOIC-8.Naproti tomu 14-bitové převodníky AD5446 jsou k dispozici v provedení MSOP-10. Jejich výhodou je rovněž plná kompatibilita s většinou mikrokontrolérů, neboť prakticky každý obvod dnes podporuje rozhraní typu SPI, QSPI či MICROWIRE. Externí vstup referenčního napětí umožňuje libovolnou konfiguraci výstupního napětí a to až do 10 V.


Obr. 1: Vnitřní blokové schéma obvodu AD5543/AD5553

Z pohledu konstrukčního řešení se jedná o velice jednoduché obvody, využívající standardní součástkovou základnu. Malé provedení pak podporuje snadné použití, nízkou výrobní cenu a vysoké rozlišení.

Popis zapojení
Společným znakem všech tří obvodů je jediné napájecí napětí v hodnotě 5 V pro převodníky a ± 15 V pro napájení operačního zesilovače. Nezapomeňte však na to, že některé obvody mohou pro svůj provoz vyžadovat použití přesného zdroje referenčního napětí, kterým se musí napájet i zde výstupní operační zesilovač.

Každý obvod je složen ze dvou samostatných částí. První, nebo také vstupní část je tvořena DAC převodníkem a operačním zesilovačem. Druhou (oddělitelnou) částí je koncový stupeň s tranzistorem N-channel MOSFET (obr. 2 a obr. 3), který dodává proud do systému.

Vstupní část obvodu, viz obr. 2, se tedy skládá z DAC (AD5446) s proudovým výstupem a operačním zesilovačem (AD8510). Jeho cílem je konverze řídicího slova na analogovou hodnotu a řízení tranzistory. S nadřazeným systémem je obvod spojen přes standardní rozhraní typu SPI.


Obr. 2: Zdroj proudu pomocí využívající DAC proudovým výstupem (zjednodušené zapojení)

Koncový stupeň se pak skládá z tranzistoru N-channel MOSFET (typ NTE4153N) a odporu, který dokáže dodat mnohem více proudu, než je výkon operačního zesilovače. OdporR1 vytváří na svých pinech průchodem proudu úbytek napětí a tranzistor tento proud reguluje.

Proudové zatížení lze spočítat z následující rovnice:

  (1)

Kde D je frakční zastoupení řídicího slova načteného do DAC. Nicméně R DAC >> R1, (R DAC je typicky 9 kOhmů), takže zatěžovací proud může být zaokrouhlený jako:

  (2)

S R1 = 100 ohmů a V IN = -5 V, je I LOAD programovatelný v rozsahu od 0 do 50 mA s rozlišením 3 uA (1 LSB na 14 bitů). Výstupní napětí by se mohlo pohybovat až do cca 20 V, je však omezené maximálním řídicím napětím tranzistoru MOSFET. Například i obvod ADR425, tedy operační zesilovač s nízkým výkonem a napájecím napětím 5 V, by byl přesně pro tento typ obvodů naprosto ideálním, ale jeho výstup by bylo nutné s pomocí dalšího operačního zesilovače konvertovat pro vytvoření záporného napětí -5 V.

Obvod na obr. 3 využívá rovněž DAC typu AD5446. Nicméně, v tomto případě je DAC využit v opačném režimu, kdy na svém výstupu poskytuje hodnotu napětí, vztaženou k referenčnímu napětí 1,2 V. Jeho zdrojem může být například obvod ADR512.


Obr. 3: Zdroj proudu s DAC a proudovým výstupem, zapojeným v „reverzním“ - napěťovém režim (zjednodušené zapojení)

Výstupní napětí DAC na pin 9 se pohybuje v rozmezí od 0 do 1,2 V. Viz datasheet obvodu AD5446.

Jako operační zesilovač byl v tomto případě použit typ OP1177, neboť jde o velice přesný obvod s velmi nízkou hodnotou offsetu (max. 60 mV). Jinak jako v předchozím případě, i zde je na výstupu použit tranzistor N-channel MOSFET, který má za úkol posílit výstupní proud z OZ pro následující obvody.

Záporná zpětná vazba od pinu Source tranzistoru ke vstupu OZ reguluje hodnotu proudu na odporu R1.

Proudové zatížení obvodu lze spočítat z následující rovnice:

  (3)

S R1 = 10 ohmů a V IN = 1,2 V, je I LOAD programovatelný v rozsahu od 0 do 120 mA s rozlišením 7 uA (1 LSB @ 14 bitů).

A konečně i třetí obvod, na obr. 4, který využívá 16-bitového DAC AD5543, jako zdroje proudu a obvod nábojové pumpy typu Howland, jako koncového stupně. Takové zapojení má oproti zapojení s tranzistorem MOSFET hned dvě výhody: vysokou výstupní impedanci a schopnost produkce bipolárního výstupního proudu. Obvykle se také pro zlepšení stability využívá symetrie obvod. Proto také R1 = R1', R2 = R2', and R3 = R3'.


Obr. 4: Bipolární zdroj proudu s obvodem Howland (zjednodušené zapojení)

Proudové zatížení obvodu lze spočítat z následující rovnice (pro odvození viz AN-843):

  (4)

S R1 = 150 kohmů, R2 = 15 kohmů, R3 = 50 ohmů a V IN = 5 V, je I LOAD programovatelný v rozmezí od 0 do 20 mA s rozlišením 300 nA (1 LSB @ 16 bits) a s tím, že výstup obvodu má velmi vysokou impedanci.

Závěr:
Na závěr je nutné upozornit na správné rozložení, uzemnění a propojení všech tří obvodů, jinak hrozí degradace rozlišení i nestabilita celého obvodu. Pouze správným návrhem lze plně využít výborných schopností zvolených DAC, operačního zesilovače a konečně i celkového výkonu. Více informací k návrhu je dostupný například v dokumentech MT-031 a MT-101.

Odkazy & Download:
Domovská stránka Analog Devices
High Precision Programmable Current Sources Using DACs, Op Amps, and MOSFET Transistors
Application Note AN-843
MT-087 Tutorial

Informace o obvodu AD8510
Informace o obvodu ADR512
Informace o obvodu AD5543
Informace o obvodu AD5446
Informace o obvodu OP1177







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PU232R - modul, převodník USB-UART
Modul s obvodem nové generace FT232RQ - převodník USB-UART pro vývoj a malosériovou výrobu.
od 390 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007