Calibrazione dell’alimentazione con un potenziomentro digitale

MAX5402 potenziometro digitale

L'utilizzo di una rete di feedback resistiva è un artificio tecnico molto utilizzato per creare un'alimentazione regolabile. Un potenziometro “meccanico” rappresenta una soluzione convenzionale per modificarne il valore. Se si desidera che la calibrazione sia più semplice ed automatica la risposta è l'utilizzo dei potenziometri digitali. Vediamo perché.

Una soluzione simile è stata già adottata nel progetto del telecontrolo gsm

Una rete di retroazione resistiva viene spesso utilizzata per impostare la tensione di uscita di un alimentatore; ciò dipende dal fatto che resistori di valore fisso sono semplici da utilizzare e rappresentano una soluzione dal costo contenuto. Tuttavia, poiché questa configurazione risulta non modificabile, la tensione d'uscita non può essere impostata in maniera accurata. Pertanto molti alimentatori utilizzano potenziometri a cui si accede direttamente dall'esterno per controllare la retroazione e modificare proprio il valore d'uscita.

Per il momento, inoltre, è il caso di sottolineare, trascuriamo l'indubbia importanza che ha la deriva termica dei valori dei resistori.

Per ottenere una calibrazione automatica più semplice, in luogo di un potenziometro meccanico (analogico) se ne può utilizzare uno digitale, soluzione dalle dimensioni più contenute, che resiste meglio alle sollecitazioni di natura meccanica e che offre il vantaggio di poter essere calibrato a distanza.

Quest'oggi analizziamo alcuni degli aspetti che hanno a che fare con questa procedura.

Un alimentatore spesso utilizza una rete di feedback per impostare il livello d'uscita, come accennato in precedenza. Tuttavia il valore fissato non può essere preciso e spesso risulta anche non accurato per via dei valori di tolleranza dei dispositivi. In queste situazioni, esistono test che includono, ad esempio, metodi a ponte (come quello di Wheatstone) che, tramite il rapporto tra resistori variabili, permette la calibrazione. Per approfondire, consultate questo link.

I potenziometri digitali hanno, ormai, rimpiazzato quelli analogici nella maggior parte delle applicazioni; questo è successo perché molti degli effetti di “invecchiamento” non sono presenti e non affliggono i risultati finali.

Nelle immagini che seguono, potete osservare:

una rete di retroazione realizzata con un resistore convenzionale

ed una realizzata, invece, con un resistore variabile

Se si considera l'esempio tipico di alimentazione fissa a 12V, con un riferimento di tensione a 2.5V, avremo sempre da fare i conti con i valori di tolleranza. Essi, convenzionalmente, possono essere visti come termini additivi che si sommano al riferimento. Così, parleremo di un ±5% tipico per il riferimento.

Calcolare i valori della rete resistiva si può facilmente fare con un partitore di tensione; pertanto, dimensioniamo la rete grazie all'equazione

poiché in questo esempio VR avrà un valore di tolleranza pari a ±5%, identica variabilità si avrà sulla sezione di uscita. Se questo ripple non è accettabile allora è necessario rendere il partitore resistivo variabile.

Sostituire R1 ed R2 con un potenziometro meccanico non è una soluzione adottata, di solito, poiché questo produrrebbe un range di tensioni d'uscita più ampio e si dimostrerebbe comunque più sensibile alle modifiche.

Nel tempo e con la temperatura, inoltre, la rete dimostrerebbe derive non indifferenti rendendo il riferimento di tensione assolutamente non affidabile certamente mai uguale a se stesso.

Il secondo schema, pertanto, mostra una soluzione che riduce questi effetti.

Vediamo di che tipo di soluzioni digitali dovremmo disporre per risolvere questi problemi.

La tipica struttura di un potenziometro digitale viene illustrata nella figura seguente:

Si tratta, tipicamente, di un array di resistori comandati da uno switch ad ogni nodo, indicati per semplicità come MOSFET in figura. Nella pratica, è possibile che questi transistor siano BiCMOS; questo produce bassi valori di resistenza di funzionamento.

In una struttura di questo tipo, di solito ci sono 256 taps (letteralmente “rubinetti”); quando questo numero è più grande si intuisce che la struttura risulta più segmentata ma anche più efficiente.

Dal momento che tutti i resistori vengono creati sullo stesso die, ci sarà la garanzia di tutti i vantaggi della progettazione integrata, tra cui il perfetto matching dei componenti.

Un esemplare tipico di questa categoria è il MAX5402, dispositivo con valore di resistenza tipica “end-to-end” di 10kΩ. Il valore indicato ha una tolleranza del 20%. Misure raziometriche portano a definire meglio questo valore grazie alla non linearità integrale di ½ LSB.

Pertanto, può essere facilmente utilizzato come partitore di tensione.

Vediamo, quindi, come utilizzare un potenziometro digitale per calibrare l'alimentazione.

La configurazione di partenza è la seguente:

quella alla quale bisogna arrivare, invece, è questa:

per farlo, è necessario trovare un metodo per dimensionare le resistenze. Fissati i valori

VO = 12V
VR = 2.5V ±5%
RT = R1 + R2 + R3

le equazioni da utilizzare sono:

R1 = RT – R3 – R2

queste tre equazioni vanno risolte fissando, innanzitutto, un valore per RT, ad esempio di 20kΩ. Così, otteniamo R3 = 3.598kΩ, R2 = 417Ω ed R1 = 15.625kΩ che non sono certamente dei valori accettabili sia per la precisione con la quale questi valori vengono indicati sia perché non esistono, in generale, valori commercialmente disponibili esattamente uguali a questi. Pertanto, considerato quali sono i valori disponibili più vicini, indichiamo R1 = 15.8kΩ, R3 = 3.92kΩ. A questo punto, sempre grazie alle formule scritte in precedenza, calcoliamo il valore di R2. Si ha:

che ci permette di calcolare un valore che risulta essere pari a 646Ω.

Uno svantaggio di questa tecnica è il fatto che c'è una bassa tolleranza end-to-end nei potenziometri digitali; per ridurre l'effetto in questione è necessario utilizzare potenziometri di grande valore in parallelo e che abbiano all'interno resistori di valore fisso di piccola entità. Così si riesce certamente ad essere più precisi.

Per spiegare meglio questo concetto, è indispensabile utilizzare la figura

qui si vede chiaramente che la combinazione in parallelo di R2A and RP restituisce R2. Infatti, l'equazione

permette il calcolo del resistore parallelo di valore fissato, Pertanto utilizzando un RP di valore pari a 10kΩ, risulta un R2A di valore pari a 690Ω. Come nel caso precedente, anche qui è necessario utilizzare un resistore reale il cui più vicino valore commerciale è pari a 698Ω.

Volendo tenere in conto degli effetti delle tolleranze sui singoli valori dei resistori, otterremo RMIN = 642Ω e RMAX = 660Ω. Questo range di valori rappresenta l'effetto del 20% di tolleranza del potenziometro sulla resistenza che differisce per l'1% dal valore teorico calcolato.

Il calcolo finale conferma che, con i valori veri, il potenziometro digitale riesce a coprire bene il range del 5% di tolleranza sul riferimento.

I conti sui valori delle resistenze possono essere fatti utilizzando le formule di trasformazione triangolo-stella che permettono di esprimere:

Applicando queste equazioni è possibile confermare che il range di funzionamento del potenziometro riuscirà a “coprire” l'intervallo di tolleranza del riferimento.

Riassumendo, i risultati ottenuti indicano i seguenti valori:

VO = 12V (tensione d'uscita)
VR = 2.5V ±5% (riferimento di tensione)
R1 = 15.8kΩ (resistore "in alto")
R2A = 698Ω (resistore in parallelo)
RP = 10kΩ (potenziometro digitale)
R3 = 3.92kΩ (resistore "in basso")

I livelli di tensione intermedi da impostare risultano essere pari a:

VR = 2.375V, livelli = 44, VO = 11.99842V
VR = 2.625V, livelli = 210, VO = 11.99773V

ovviamente, è possibile ottimizzare questa configurazione introducendo, come accennato all'inizio, ulteriori “gradini”. La configurazione con “ladder” risulta, quindi, molto versatile proprio per questo motivo.

In chiusura, il problema del controllo del livello di tensione di alimentazione risulta essere molto importante, specie per applicazioni single-supply. Le soluzioni di calibrazione viste indicano che i potenziometri digitali sono certamente più affidabili e precisi. Grazie alla risoluzione di semplici equazioni lineari, i resistori possono essere dimensionati immediatamente, rendendo la progettazione estremamente veloce. Il riferimento alle tabelle dei valori di resistenza commerciali, e la loro aderenza ai valori calcolati, rappresenta l'esigenza primaria di questo metodo.

E voi, che ne pensate? Li avete mai usati? Con che risultati?

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One Response

  1. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 12 luglio 2012

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