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14 de mayo de 2012

Calibración de una fuente de alimentación con un potenciómetro digital

Por:
David Fry, Director Estratégico de Ingeniería de Aplicaciones

20 de abril 2012

Resumen: Una red de realimentación resistiva a menudo se utiliza para establecer la tensión de salida de una fuente de alimentación. Un potenciómetro mecánico (maceta) convenientemente resuelve el problema de ajustar una fuente de alimentación. Para facilitar la calibración automática, una olla mecánica puede ser reemplazado con un bote digital. Esta nota de aplicación presenta una solución de calibración que utiliza una olla digital, porque potenciómetros digitales son más pequeñas, no se mueven con la edad o vibración, y puede ser recalibrado de forma remota. Esta solución propuesta reduce la susceptibilidad del sistema a la tolerancia de extremo a extremo la resistencia del bote digital, haciendo que la solución óptima para los diseñadores. Esta nota de aplicación explica también algunas de las ecuaciones necesarias para calcular los valores de la cadena de resistencias y de utilizar una olla digital en este camino. Una hoja de cálculo con los valores reisistor estándar está disponible para cálculos sencillos.

Una versión similar de este artículo apareció en la administración de energía DesignLine , febrero de 2012.

Introducción

Una red de realimentación resistiva se utiliza a menudo para establecer la salida de voltaje de una fuente de alimentación, ya que son resistencias fijas costo simple de usar y baja. Sin embargo, debido a una red fija no se puede ajustar la tensión de salida no puede ser ajustado con precisión. Por lo tanto, los suministros de energía utilizan muchos un potenciómetro mecánico (maceta) con la red de realimentación para ajustar la tensión de salida.Para facilitar la calibración automática, un potenciómetro mecánico puede ser reemplazado con un potenciómetro digital. Potenciómetros digitales son más pequeñas, no se mueven de manera significativa con la edad o la vibración, e incluso puede ser recalibrado de forma remota. Esta nota de aplicación explica algunos de los cálculos necesarios para utilizar un potenciómetro digital de esta manera y también proporciona una hoja de cálculo para cálculos sencillos.

Convencional del suministro de energía Comentarios

Una fuente de alimentación a menudo utiliza retroalimentación resistiva para establecer el nivel de salida. Sin embargo, debido a que hay tolerancias muchos dispositivos que pueden afectar a la tensión de salida, un divisor de resistencia fija es a menudo insuficiente. En estas situaciones, una proporción variable resistencia se utiliza de modo que el sistema puede ser calibrado en los ensayos finales.

Aunque un potenciómetro mecánico se han utilizado tradicionalmente, los componentes han sido sustituidos por los potenciómetros digitales en muchas aplicaciones. Ollas digitales no sufren de importantes efectos del envejecimiento y son mucho más sencilla para ajustar de forma automática en las pruebas finales.

Esquemas fijo resistencia mecánica y potenciómetro se muestran en las Figuras 1 y 2 .

Figura 1.  Un fijo convencional de resistencia de realimentación.
Figura 1. Un fijo convencional de resistencia de realimentación.

Figura 2.  Un convencional variable de resistencia de realimentación.
Figura 2. Un convencional variable de resistencia de realimentación.

Tomar el ejemplo típico de un suministro de 12V con una tensión de referencia 2.5V. La tensión de referencia y todos los otros dispositivos en el sistema tendrá una tolerancia. Convenientemente, todas las tolerancias pueden ser representados como tolerancia adicional en la referencia. Para este ejemplo, se utilizará un ± 5% de tolerancia típica total para la referencia.

Cálculo de los valores para una realimentación resistiva fija se basa en una ecuación fácil:

Ecuación 1.
(Ec. 1)

Dado que en este ejemplo, V R tendrá una tolerancia de ± 5%, esto conduce a una tolerancia en la tensión de salida de 5%. Si esto no es aceptable en la solicitud, el divisor resistivo-necesita ser hecha variable. Sustitución de R1 y R2 con un potenciómetro mecánico no se hace normalmente, ya que daría lugar a una amplia gama de tensiones de salida y sería muy sensible a los ajustes. Con el tiempo y temperatura , cualquier desviación en la posición de la olla crearía una cantidad inaceptable de la deriva de tensión de salida. Por lo tanto, la Figura 2 ilustra un esquema que reduce el rango de salida, que ahora es más fácil de ajustar y es más estable.

Hipotéticamente, debemos ser capaces de sustituir a R2 con una olla digital, y debemos tener un sistema de regulación eléctrica. Sin embargo, no es tan simple como eso. En primer lugar, una explicación de las ollas digitales se requiere.

Estructura básica de las Ollas Digitales

Figura 3.  Típica estructura potenciómetro digital.
Figura 3. Típica estructura potenciómetro digital.

Un bote digital es normalmente una cadena de resistencias con un interruptor en cada nodo, como se muestra en la Figura 3 . Por simplicidad, los interruptores se muestran como los MOSFETs individuales. Por lo general, estos interruptores sería de dos transistores (BiCMOS una "P" y una "N") para producir bajas en las resistencias.

Esta estructura se utiliza comúnmente para macetas de hasta 256 grifos. Cuando el bote está por encima de 256 grifos, puede ser más eficaz utilizar una estructura segmentada más compleja. Sin embargo, que está más allá del alcance de esta nota de aplicación.

Puesto que todas las resistencias son fabricadas en el mismo troquel, serán muy estrechamente emparejado.Desafortunadamente, el extremo a extremo resistencia puede no ser tan bien definida. Un bote digital típico es elMAX5402 , un solo canal, 256-grifo dispositivo con la resistencia de extremo a extremo de 10k (típico). La tolerancia de la resistencia de extremo a extremo, sin embargo, es de ± 20%. Ratiometrically, que está mucho mejor definido con la no linealidad integral ( INL ) de 0,5 LSB (max). Es, por tanto, muy adecuado para ser utilizado como un divisor de potencial.

Uso de la olla digital para calibrar una fuente de alimentación

Figura 4.  La cadena de resistencia inicial.
Figura 4. La cadena de resistencia inicial.

Figura 5.  La cadena de resistencia final.
Figura 5. La cadena de resistencia final.

El método para calcular los valores de la resistencia R1, R2 y R3, se muestra en la Figura 4 . Vamos a utilizar el ejemplo siguiente:

V O = 12 V
V R = 2,5 V ± 5%
R T = R1 + R2 + R3

Las ecuaciones iniciales son simples y se definen a continuación:

Ecuación 2.
(Ec. 2)

Ecuación 3.
(Ec. 3)

R1 = R T - R3 - R2
(Ec. 4)

El primer paso es definir una resistencia total a la I T , utilizando (R1 + R2 + R3). Dado que esta es arbitraria, vamos a empezar con R T = 20kΩ. (Siempre se puede cambiar más adelante a dar valores más realistas para R1, R2 y R3, si es necesario.) De la ecuación 2, nos encontramos con R3 = 3.598kΩ. De la ecuación 3, R2 = 417Ω, y de la ecuación 4, R1 = 15.625kΩ.

Es evidente que los valores de las resistencias ideales calculados generalmente no estará disponible, valores de resistencia tan estándar necesitan ser utilizados. Los valores más próximos al 1% son sustituidos por R1 y R3: R1 = 15.8kΩ, R3 = 3.92kΩ. (Para mayor comodidad, hemos incluido las tablas estándar de valor de la resistencia de lahoja de cálculo .)

Ahora se puede calcular hacia atrás para encontrar un valor ideal para R2, como se muestra en la Ecuación 5. R2 eventualmente se convertirá en variable. Por lo tanto, su valor se calcula de manera que V S será correcta cuando R2 se galope y V R está en su valor nominal.

Ecuación 5.
(Ec. 5)

Por lo tanto, R2 = 646Ω.

Hay que tener en cuenta el hecho de que las ollas digitales tienen una muy pobre de extremo a extremo tolerancia.Usando una olla digital de gran valor en paralelo con una resistencia fija pequeña valor es un método simple de reducir el efecto de extremo a pobres de la olla de terminar la tolerancia. Esto se ilustra en la Figura 5 . Así, la combinación en paralelo de R2 Un y R P hace R2.

Utilizando la ecuación 6, el paso final es calcular el valor de la resistencia fija paralelo, dado un potenciómetro nominal de extremo a extremo resistencia.

Ecuación 6.
(Ec. 6)

Así, utilizando una olla de 10k R P , el valor ideal para R2 A es 690Ω. El valor más cercano al 1% es 698Ω. Si se calcula la combinación en paralelo de esto y la olla digital en sus extremos de tolerancia, se obtiene R MIN = 642Ω y R MAX = 660Ω. Esta es una tolerancia de sólo 1%, debido a que el 20% de extremo a extremo de tolerancia de la maceta. Usamos una resistencia de 698Ω para R2 A , ya que este es el más cercano al valor estándar del 1%.

El cálculo final se confirma que con valores reales, el bote digital puede cubrir el rango requerido de 5% para la tolerancia de referencia. Se puede utilizar la transformación estrella-triángulo, como se muestra en la Figura 6 .Obviamente, no es necesario para calcular R6.

Figura 6.  Utilizando la transformación estrella-triángulo.
Figura 6. Utilizando la transformación estrella-triángulo.

Ecuación 7.
(Ec. 7)

Donde N es la posición de la llave y NMAX es la posición de toma máximo.

Ecuación 8.
(Ec. 8)

Ecuación 9.
(Ec. 9)

La ecuación 10.
(Ec. 10)

La ecuación 11.
(Ec. 11)

El uso de estas ecuaciones, podemos confirmar que van de la olla va a cubrir el rango de tolerancia de la referencia.

En resumen, los requisitos y seleccionó a los valores de los componentes:

V S = 12V (tensión de salida)
V R = 2.5V ± 5% (tensión de referencia)
R1 = 15.8kΩ (resistencia superior)
R2 Un = 698Ω (resistencia en paralelo)
R P = 10 k (potenciómetro digital)
R3 = 3.92kΩ (inferior resistencia)

Los puntos de derivación siguientes fijar el voltaje de salida requerida en los extremos de la tolerancia de referencia.

V R = 2.375V, toque = 44, V O = 11.99842V
V R = 2.625V, toque = 210, V O = 11.99773V

Puede ser posible para optimizar este adicional para reducir los pasos de voltaje de salida. Sin embargo, el potenciómetro tiene cierta sobrecarga en ambos extremos para tener en cuenta las tolerancias más.

Resumen

Esta nota de aplicación discute el problema de ajustar una fuente de alimentación y cómo este problema puede ser resuelto con una olla mecánica. Además, el artículo se explica una solución de calibración que utiliza una olla digital, ya que las ollas digitales son más pequeñas, no se mueven con la edad o vibración, y puede ser recalibrado de forma remota. Esta solución propuesta también reduce la tolerancia de extremo a extremo la resistencia del potenciómetro digital, haciendo que la solución óptima para los diseñadores. Las ecuaciones necesarias para calcular los valores de la cadena de resistencias se han desarrollado y una hoja de cálculo está disponible que contiene gráficos estándar valor de la resistencia.

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