Преобразование уровня аналогового сигнала

[Инн]

Есть прибор.
В нём нагреватель измерительной головки.
Греет, но мало.
Заменять нагреватель нельзя.
Надо поднять напряжение на нём.
Желательно минимальными доработками, как всегда.

В приборе есть 2 источника питания: + 5V и ±15V с глухозаземлённой средней точкой.
Нагреватель питался от 0 - +15V по прилагаемой схеме:
-- последний по списку файл LH Mirror Heater FINAL serial.PNG

При доработке желательно сохранить ОУ = OPA2227P, но можно и заменить его на другой, в том числе с иной цоколёвкой.
То же относится и к применённому ранее дарлингтону BDW93.

В то же время, нам простят и другой ОУ, и ещё один ОУ для преобразователя уровня...
Ну, только чтоб это в итоге не получился супер-мерседес на поллиста.

Требуется запитать нагреватель от +15 — -15.
При этом нужно предусмотреть возможность переход на питание +5 — -15 перемычками на печ.плате.

Цепь управляется ПИД-контроллером через 13-битный ЦАП. Размах управляющего сигнала может быть любым, по нашему выбору, в пределах: 0 — +10 V или 0 — -10 V
В работе нагреватель выключается либо нулём на выходе ЦАПа, либо, если нам нужно, специальным отрицательным напряжением по нашему выбору в вышеуказанных пределах.

Нацарапал вот такое решение:
-- см.все остальные файлы, включая действующую модель MSim в архиве; левая часть схемы.

В ней применена модель ОУ LM358AH -- потому, что штатные модели OPA2227 -- кривые и сочиняют всякие несуществующие осцилляции.
Применённая модель LM358AH тоже -- и грешит иногда осцилляциями, и как-то показывала то +15,4 V, то даже киловольты на выходе ОУ в нештатном режиме. Хотя питается она от ±15 V.
Но всё же работать с ней можно, и она уже даёт довольно пристойный материал чтобы уточнить на макетнице.
На макетнице я эту схему ещё не собирал.

Мне моё решение очень не нравится.
Корявое и деревянное. Непрофессионально оно, я бы сказал. Только и радости, что вся доработка -- лишние три резистора:

1. Линейность так себе. Хотя ПИД особо к этому не чувствителен, но всё же, как-то оно не кузяво.
2. Слабоват иммунитет к изменению "-15 V"
3. Переключение напряжения питания требует одновременного переключения напряжения смещения на выходе ОУ

Толком не знаю, как взрослые дядьки делают аналоговые преобразователи уровня.
Всё, что нашёл -- это преобразование между цифровыми логическими уровнями. Не то.

Прошу уважаемых Коллег покритиковать и предложить.
Буду признателен за любые предложения; в том числе умозрительные.

Благодарю Вас.

[bordodynov]

Можно повысить выходное напряжение с помощью одного резистора.
Это повесить на выход операционника резистор. В реальности напряжение единички станет равно питанию, а вот в моделировании не факт. Я с таким сталкивался с некоторыми моделями LM358 (LM324). Поэтому для себя я сделал модель на транзисторах. Я пользуюсь LTspice. Моя модель работает как я описывал. На выходе у этого операционника составной транзистор и в результате высокий уровень операционника ниже питания на ~1.2 -1.5 В. Резистор на питание убирает эту проблему. Может этого вам не достаточно, но мощность пропорциональна квадрату напряжения и прибавка в 20% не помешает.

[zoog]

Инн, очень трудно увидеть что-то на этих вырвиглазных скринах симулятора или хотя б понять - где там Ваша версия. Я бы посадил минус нагревателя на -15 через регулируемый стабилитрон типа умощнённого tl431 и отдельно управлял добавкой.

[Инн]

повесить на выход операционника резистор. В реальности напряжение единички станет равно питанию

Большое спасибо, Коллега. Я не знал об этом приёме. А он очень ценен: ведь с ним нет нужды выискивать rail-to-rail операционники! Большое спасибо!

высокий уровень операционника ниже питания на ~1.2 -1.5 В

Да, это часто "режет" мощность каскада, но конкретно в этой моей сермяжной схеме это, вроде, не создаёт затруднений. Напряжение на выходе ОУ далеко от шин питания: как в нуле, так и в максимуме управляющего сигнала. При это дарлингтон насыщен: на нём падает 0,8 V точно по его справ.листку.
Прилагаю и то, и другое.
(Там что-то правая часть схемы не работает: не обращайте внимания: не о ней здесь речь.)

Тут немного досадно, что на резисторе R7=1 Ом падает 0,9 V и теряется 0,8 Вт мощности. (Я его добавил для линейности.)
Ну, уменьшил я его до 0,5 Ом. Напряжение и мощность на нём уполовинились, но и раб.характеристика каскада немного загорбатилась.

Повторяю: непрофессионально это моё решение. А что-то лучшее в голову не приходит; увы. Может, ещё кто-то что-нибудь путное насоветуем: подождём.

За резистор -- СПАСИБО!

[Инн]

очень трудно увидеть что-то на этих вырвиглазных скринах симулятора или хотя б понять - где там Ваша версия.

Может, надо укрупнить скрины? Буквы мелкие на зондах? Только скажите: сделаю крупнее.

Моя версия -- на всех скринах кроме последнего, очень простого с виду: на нём — прежняя версия.

Я бы посадил минус нагревателя на -15 через регулируемый стабилитрон

Да, спасибо.

А о преобразовании уровня и линеарицации исполнительного каскада -- нет ли, пожалуйста, какой-нить идеи?..

[zoog]

Напряжение на выходе ОУ далеко от шин питания: как в нуле, так и в максимуме управляющего сигнала. При это дарлингтон насыщен:

Это взаимоисключающие параграфы. Сколько сейчас макс. на выходе ОУ?

А о преобразовании уровня и линеарицации исполнительного каскада -- нет ли, пожалуйста, какой-нить идеи?..

А зачем там оно вообще? не хватает вх. сигнала на ОУ? так измените к-т усиления...
Линейность (вернее, квадратичность по мощности) там идеальная, кстати, и с прецизионным стабилитроном тоже не сильно ухудшится.

[ForcePoint]

Греет, но мало. Заменять нагреватель нельзя.
.....
Размах управляющего сигнала может быть любым, по нашему выбору, в пределах: 0 — +10 V или 0 — -10 V

"Пойдём простым логическим путём".

Заземлённый нагреватель сопротивлением 33 Ома получает на вход, по задумке разработчика оригинальной схемы, 10[ЦАП] * (1 + 62/82)[U4A+Q2] = 17,56 В. Да-с... 15 В питания - против.
Положим, что выход U4A совместно с Q2 крадут 2 В макс. Тогда максимальная мощность на нагревателе ~ 13*13/33 = 5,12 Вт.

Вопросы №1, 2 и 3:

Требуется запитать нагреватель от +15 — -15.

Из этого следует, что нагреватель можно отключить от земли?
Поднятия мощности, грубо говоря, в 4 раза - будет достаточно?
Нагреватель выдержит ток (13+15)/33 = 0,85 А?

Вопрос №4:
Следует ли читать

Размах управляющего сигнала может быть ..... 0 — -10 V

как "минус 10 - нагреватель выключен, 0 - полная мощность" или это инверсный сигнал?

Вопрос №5:
U4A это тот самый OPA2227?

Камент:

Напряжение на выходе ОУ далеко от шин питания: как в нуле, так и в максимуме управляющего сигнала. При это дарлингтон насыщен: на нём падает 0,8 V точно по его справ.листку.

Насыщенный эмиттерный повторитель, RLY? Или это падение напряжения база-эмиттер?

[Инн]

Это взаимоисключающие параграфы. Сколько сейчас макс. на выходе ОУ?

Открываем, например, последний скрин, читаем показания зонда "Probe 3" на выходе ОУ: Постоянная составляющая = -5,34 V. Это далеко от (-15 V), всё нормально.
Там же показания Дельта-зонда 11 относительно зонда 10 = -747 mV. Это перепад напряжений на дарлингтоне U2. А ток через U2, по зонду 1 или по зонду 10 = 886-887 mA.
Смотрим теперь на график из справ.листка на дарлингтон, кривая для 1 Ампера показывает напряжение насыщения где-то 800 mV. Да, дарлингтон U2 насыщен.

зачем там ‹преобразование уровня› вообще? не хватает вх. сигнала на ОУ?

Ну, я рассуждал так: раз U2 сидит своим эмиттером на -14,1 V, то напряжение управления дарлингтоном должно в работе меняться между -14,1 V относительно земли до, примерно (-12.8 V).

Вх. сигнала на ОУ хватает с избытком. В этой моей схеме вх.сигнал полного нагрева = +2 V (источник пост.напряж-я V1 или генератор пилы, размах от нуля до +2V). А надысь уменьшил R7 до 0,5 Ом — так и вообще [0 — +1] стало.

А когда и если напряжение на шине -15 V просядет под всяким нагрузками до, скажем -14.8 V, то система не должна это особо почувствовать.
Потому я сначала сместил выходной ноль ОУ резистором R2, а потом кое-как привязал его к шине -15 V делителем R5 + R6.
Чтоб изменяющаяся шина хоть немного "тянула" его за собой.
В иллюстрацию эффективности этого приёма я в начальном сообщении привёл два состояния системы: при напряжении шины = 15 V (номинальное) и 14,8 V (пониженное).
Вроде, ничо.
Если эт не делать, а жёстко задать постоянный "нулевой" уровень на выходе ОУ, то понижение шины от -15 V к -14,8 V — это изменение напряжения на бзе дарлингтона на 0,2 V. Очень заметно. ПИДу будет трудно управлять такой системой. В ПИДе никакой фаззи-логики не встроено.

Наверное, если вместо R5 + R6 как-то аккуратно вставить туда ОУ, то будет получше. Понты, опять же, покруче...

Линейность (вернее, квадратичность по мощности) там идеальная

Ну, вроде, ПИД лучше работает, если раб.характеристика -- прямая линия. То есть, да, квадратичная по мощности.

Я здесь не защищаю всю эту свою сермягу. Я, наоборот, говорю, что она мне не нравится.

Но если уважаемые Коллеги всё это вполне одобрят -- ну что ж: значит, так и пустим в мелкую серию.

[Инн]

Из этого следует, что нагреватель можно отключить от земли?

Да. Нужно даже.

Поднятия мощности, грубо говоря, в 4 раза - будет достаточно?

Скорее всего да. Но если и нет, то нас ведь попросили подключить нагреватель под эти 30 Вольт. И не менять нагреватель. Это всё, что можно выжать с этим БП.

Нагреватель выдержит ток (13+15)/33 = 0,85 А?

Да.

"минус 10 - нагреватель выключен, 0 - полная мощность" или это инверсный сигнал?

Вообще-то я в исходном тексте сказал, что "В работе нагреватель выключается либо нулём на выходе ЦАПа, либо, если нам нужно, специальным отрицательным напряжением по нашему выбору в вышеуказанных пределах."
То есть оно как-то привычнее всего 0 = выкл.; [UЦАП › 0] = максимум нагрева.
Так я в своей схеме и сделал: ноль на входе "1" ОУ = 1 мВт на нагревателе, а +2V = 23,181 Вт (примерно вчетверо больше прежнего).
Но если нам нужно любое "наоборот", то это разрешено. Лишь бы все наши значения управляющего сигнала оставались в интервале от -10 до +10 V

U4A это тот самый OPA2227?

Да.

Насыщенный эмиттерный повторитель, RLY? Или это падение напряжения база-эмиттер?

Последнее. Насыщен дарлингтон U2

[zoog]

Насыщен дарлингтон U2

Чтоб его насытить - нужно поднять напряжение на базе (выходе ОУ) до 16В примерно. А 0,8В на б-э - это он даже ещё не начал открываться своей силовой частью.