Analogtipp Spannungsausgang mit tastgesteuertem Digital-Potentiometer regeln

In diesem Analogtipp stelle ich ein Netzteil vor, mit dem sich eine Spannung bis 20 V mit einem tastgesteuerten Digital-Potentiometer einfach und effizient regeln lässt. Das regelbare Netzteil eignet sich besonders für Versuchszwecke im Labor.

Bild 1 zeigt einen derartigen Schaltregler mit variabler Ausgangsleistung. Dabei wird das digitale Potentiometer AD5116 und der Komparator ADCMP371 mit integrierter Gegentakt-Ausgangsstufe verwendet.

Das Digi-Pot hat 64 verschiedene Widerstandspositionen bei einer Toleranz über den Gesamtwiderstand von ±8%. Ein integriertes EEPROM speichert die Widerstandspositionen, die manuell über einen Druckknopf einstellbar sind. Diese Funktion ist bei Anwendungen hilfreich, die eine feste Standardposition beim Einschalten erfordern.

Die Schaltung wird über die bis zu 20 V hohe Spannungsversorgung U_IN gespeist. Hieraus kann gleichzeitig auch die Versorgungsspannung U_DD für das Digi-Pot und den Komparator generiert werden, beispielsweise über einen Spannungsregler wie den ADP121.

Die Funktionsweise der Schaltung

Die Ausgangsspannung U_OUT lässt sich über die Schaltfrequenz des Rückkopplungsnetzes regeln. Sie wird über einen Spannungsteiler auf den Komparator zurückgeführt und mit einer durch das Digital-Potentiometer eingestellten Referenzspannung verglichen.

Ist die von U_OUT abgeleitete Spannung größer als die Referenzspannung, schaltet der Komparator-Ausgang in den „Low“-Zustand, wodurch sowohl der NMOS-Transistor T1 als auch der PMOS-Transistor T2 sperren und U_OUT sinkt. Ist die von U_OUT abgeleitete Spannung kleiner als die Referenzspannung, schaltet der Komparator-Ausgang auf „High“ und die beiden Transistoren wechseln in den leitenden Zustand, U_OUT 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 U_OUT beeinflusst. Mit zunehmender DAC-Ausgangsspannung sperrt T2 für längere Zeit und der Komparator-Ausgang ist dementsprechend hoch. Der Komparator-Ausgang 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 U_OUT wird durch Gleichung 1 bestimmt:

U_OUT = U_w (1 + R2/R3)

U_W ist 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 R_W auf 45 bis 70 Ω.

Die Ausgangsspannung an U_W in Bezug auf GND beträgt:

U_W = R_WB / R_AB x U_A.

R_WB = D / 64 x R_AB + R_W

R_WB ist der Widerstandswert zwischen Abgriff W und GND auf der unteren Skala, R_AB ist der Gesamtwiderstand des Potentiometers, U_A ist die Spannung am oberen Ende des Teilerstrings, in diesem Fall gleich U_DD, D ist das dezimale Äquivalent des Binärcodes im R_DAC-Register des AD5116.

Das R_DAC-Register des Digi-Pots wird mit den Drucktasten PD und PU gesteuert. Über den ASE-Pin kann eine Default-Position, beispielsweise U_OUT = 0 V beim Einschalten im EEPROM des Potentiometers abgespeichert werden.

Der Filterausgang: Wie Sie die Restwelligkeit reduzieren

Um eine geglättete Ausgangsspannung U_OUT zu erhalten und die durch das Takten von T1 und T2 verursachte Welligkeit zu reduzieren, wird eine zusätzliche Filterschaltung verwendet (Bild 2). Bei der Auslegung dieses Filters müssen Sie die maximalen und minimalen Schaltfrequenzen sowie der Betriebsspannungsbereich des Digi-Pots betrachten.

Die Schaltfrequenz befindet sich bei der dargestellten Schaltung im Bereich von etwa 1,8 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.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 11/2020 (Download PDF)

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 (Stand: 2017)

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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