В этой статье представлен необычный подход к созданию мощного ЦАП, в котором объединены перевернутый регулятор LM337 и простая (всего на одной стандартной микросхеме) схема ШИМ, чтобы сделать источник тока 1 А/20 В. Он подходит для управления магнитами, зарядки аккумуляторов и других приложений, где может потребоваться гибкий и недорогой источник тока с компьютерным управлением. В нем имеется точный внутренний источник опорного напряжения и реализованы функции защиты от перегрузки и перегрева, характерные для этого проверенного временем знаменитого шедевра Боба Пиза!
Точность выходного тока при максимальном коэффициенте заполнения (равном единице) полностью определяется точностью сопротивления R4 и точностью ±2% (гарантированной, обычно намного лучшей) напряжения внутреннего опорного источника микросхемы LM337. Таким образом, она не зависит от (иногда сомнительной) точности источников питания логики, как это часто бывает с обычными ШИМ-ЦАП.
На Рисунке 1 показана схема.
 | |
| Рисунок 1. | LM337 в сочетании со стандартным сшестеренным инвертором образует недорогой ШИМ источник тока 1 А. (* – 1% металлопленочный). IOUT = 1.07(D – 0.07), IOUT > 0. |
КМОП инверторы серии AC U1b – U1f принимают ШИМ-сигнал частотой 10 кГц, формируя управляющее напряжение от –50 мВ до +1.32 В для вывода ADJ регулятора тока U2, пропорциональное коэффициенту заполнения ШИМ D.
Разумеется, при соответствующем масштабировании емкостей C1 и C2 можно использовать другие частоты и разрешения ШИМ. Ниже смотрите арифметику для коэффициента K.
При D = 0 напряжение на выводе ADJ больше 1.25 В, и U2 выдает минимальный для LM337 ток (около 5 мА), как показано в подписи к Рисунку 1.
IOUT = 1.07(D – 0.07).
Смещение нуля на 7% было введено для того, чтобы гарантировать, что D = 0 надежно выключит U2 при любом возможном несоответствии между его внутренним опорным напряжением и напряжением шины +5 В. Мне всегда казалось странным, что регулятор отрицательного напряжения вроде 337 иногда нуждается в положительном управляющем сигнале, но в данном случае это так.
U1a инвертирует сигнал ШИМ, обеспечивая активное подавление пульсаций, как описано в статье «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1].
Поскольку показанные емкости конденсаторов фильтра пульсаций C1 и C2 рассчитаны на 8 бит и частоту ШИМ 10 кГц, для правильной работы этой схемы с другой частотой и разрешением емкости необходимо умножить на коэффициент K:
где
N – разрешение ШИМ, бит;
FPWM – частота ШИМ.
Если требуется больший выходной ток, то регулятор LM337 позволяет увеличить его, так как рассчитан на 1.5 А. Этого можно добиться, просто выбрав более мощный сетевой адаптер и сделав R4 = 0.87 Ом. Однако для того, чтобы превысить этот предел, потребуется запараллелить несколько регуляторов 337, каждый из которых будет иметь свой R4 для равномерного распределения нагрузки.
Наконец, несколько слов о тепле. Регулятор U2 должен иметь достаточный теплоотвод, соответствующий выделяемому теплу, которое равно выходному току, умноженному на разность между 24 В и выходным напряжением. Мощность может достигать двузначных значений, поэтому не экономьте на площади радиатора. 337-е автоматически отключаются при температуре перехода выше 150 °C, поэтому U2 никогда не сгорит. Но в любом случае убедитесь, что он выдержит тест на «послюнявленный палец», чтобы не отключиться в тот момент, когда вы этого меньше всего ожидаете (или хотите)!