da PWM a 0-10 V

[Heavy]

Ciao a tutti, mi chiamo Piero e sono un perito elettronico. Lavoro in un’azienda che costruisce apparecchi per l’automazione industriale. Dopo un riassetto aziendale sono stato messo in laboratorio. Sto guardando gli schemi dei nostri prodotti per capire come funzionano e non ho troppi problemi per venirne a capo. Questo circuito però non lo capisco proprio. È un convertitore da PWM (0-5 V) a uscita analogica 0-10 V. Prima di mettermi con il simulatore mi chiedevo se nessuno di voi ha mai visto questo schema e magari mi spiega il transistor e il diodo cosa ci fanno messi così.

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[Candy]

Mah! qual è il campo di applicazione del convertitore?
A me sembra che Q1, R2 ed R3 non servano a nulla.

[Heavy]

L'applicazione è quella di convertire un segnale PWM generato da un micro (ampiezza 0-5 V) in un segnale analogico (0-10 V) destinato al comando di un inverter per motori trifase. Il circuito è in produzione da anni e funziona senza lamentele da parte dei clienti. Io cercavo proprio di capire il funzionamento di quei componenti che non mi è chiaro. R3 ha la sua funzione perché consente di avere due costanti di tempo diverse con C2 e C3. Su Q1, R2 (e anche D1) il dubbio rimane.

Nota: chi ha i privilegi può modificare nello schema il reference designator del condensatore più a destra da C2 a C3?

[Candy]

Io invece penso che:
D1 serva, in campo industriale è facile sbagliare collegamento e trovarsi il 24 V in ingresso dove deve essere una uscita è possibilissimo. Ha una ottima funzione di protezione del componente attivo a monte.
R3: la sua funzione è già svolta dalla serie R4 + R5 e mi sembra quella resistenza praticamente inutile.
Q1 ed R2: a meno che non abbia funzioni a me del tutto ignote, tipo la rimozione di qualche offset, la configurazione non mi sembra molto utile al circuito. E mi viene voglia di pensare che sia li più per errore che per necessità.

[Heavy]

La protezione appare l'unico motivo logico per il quale abbia senso aggiungere qualcosa all'uscita dell'operazionale. Solo che esistono altri circuiti, ben più efficaci a tale scopo. Mi domandavo del senso di D1 nel momento in cui Q1 svolge già la funzione di bloccare un'eventuale tensione positiva applicata all'uscita. Il transistor con il collettore più alto della base e dell'emettitore lavorerebbe rovescio con un guadagno quasi nullo, limitando di fatto la corrente circolante. R3 avrebbe una sua funzione perché in prima analisi C3 vede R3//(R4+R5) mentre C2 vede R5//(R3+R4). Sul transistor restano ancora tutti i dubbi. Se fosse per protezione non avrebbe senso il diodo anche perché un transistor messo così funziona da pessimo diodo e niente più. Provo una simulazione.

[Heavy]

Ho simulato in DC il quadripolo in questione

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che come previsto funziona solo come un diodo. Mi pare si possa affermare che in DC quel transistor non ha proprio alcun senso a stare li.

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Fare una simulazione dinamica che abbia senso è un po' più difficile, ma adesso ci provo.

[obiuan]

Avrei qualche domanda per ragionare meglio sul circuito:

- A che frequenza è il PWM?
- C3 è davvero da 820pF?

ciao

[Candy]

Quella curva è abbastanza intuitiva e, se non ci sono ragioni speciali legate agli offset dell'operazione, trovo Q1 inutile.
Tanto più che già D1 rimuove eventuali offset verso lo 0V.
Q1 configurato a quel modo, se non ha speciali caratteristiche dipendenti dalla curva dello hfe, non fa praticamente nulla di utile.

[Heavy]

Per obiuan: la frequenza del PWM non la conosco, non è indicata nello schema. Tuttavia credo sia abbondantemente superiore all'inverso della costante di tempo R1 x C1 che corrisponde a circa 2 Hz. Ergo possiamo considerare che l'ingresso non invertente di IC1 veda solo una continua. C3 è proprio da 820 pF, lo ho staccato e misurato perché sembrava strano anche a me, anche perché in 1206. Scaldandolo ha mostrato anche un comportamento abbastanza strano (la capacità tendeva ad aumentare con la temperatura), ma ritengo comunque sia in ceramica X7R come indicato nello schema e nella lista componenti.
Per Candy: sì, come leggi in [6], concordo con te che appare proprio privo di senso. Ma non si sa mai, magari qualcuno nota un particolare che ai più sfugge. E' per questo che ho postato lo schema.
Sto simulando, tra un po' posto i risultati.

[Heavy]

Ho simulato il seguente circuito.

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Il bipolo nel tratteggio è stato simulato così com'è e anche sostituito con un collegamento diretto. I risultati sono apparsi praticamente sovrapponibili. All'ingresso, per quanto risposto a obiuan nel post precedente, è stata applicata una continua. In particolare un gradino 0-2 V, aspettandosi in uscita un gradino 0-4 V.

sim29_02.png (5.38 KiB) Osservato 9452 volte

Il circuito si comporta come previsto anche se con il particolare delle due costanti di tempo. La prima imposta dallo slew rate dell'operazionale funzionante come integratore al quale viene spostato il riferimento, la seconda, dal partitore e da C2. Al gradino opposto il circuito si comporta in modo speculare. Da notare che sostituendo il circuito nel tratteggio con un collegamento diretto, anche C3 e R3 risultano ininfluenti.
Come comportamento per un convertitore PWM / 0-10 V non mi sembra un granché. Non vorrei sbilanciarmi, ma forse il progettista si è un po' distratto quando ha disegnato lo schema. Altri commenti sono più che ben accolti.