Digitalpotentiometer

Ein Gerät soll seine Lautstärke per Fernbedienung ändern, ein Messverstärker sich selbst kalibrieren, ein Netzteil seine Ausgangsspannung auf Befehl des Mikrocontrollers anpassen. Ein mechanisches Potentiometer hilft da nicht weiter – niemand dreht am Knopf. Hier setzt das Digitalpotentiometer an: ein kleiner IC, der sich elektrisch wie ein Poti verhält, dessen Schleifer aber per Datenbus gesetzt wird. Es verschleißt nicht, kratzt nicht und braucht keinen Platz an der Frontplatte.

Aufbau und Funktionsweise

Im Inneren liegt eine Kette aus gleich großen Widerständen zwischen den Anschlüssen A und B. An jedem Knoten der Kette sitzt ein elektronischer Schalter aus MOSFETs, der den Knoten mit dem Schleiferanschluss W verbinden kann. Ein Register legt fest, welcher Schalter geschlossen ist; geschrieben wird es über SPI, I²C oder eine einfache Auf-Ab-Schnittstelle vom Mikrocontroller.

Die Zahl der Stellungen ergibt sich aus der Bitbreite des Registers (siehe Zahlensysteme). Ein 7-Bit-Typ hat 128 Widerstände und 129 Stellungen (Code 0 bis 128), ein 8-Bit-Typ 256 Widerstände und 257 Stellungen, Präzisionstypen haben 1024. Eine Stufe ist so groß wie

mit N als Zahl der Widerstände. Ein 10-kΩ-Typ mit 7 Bit springt also in Schritten von etwa 78 Ω.

Ein genormtes Schaltzeichen gibt es nicht. Meist zeichnet man das Poti-Symbol (siehe Schaltzeichen) und daneben einen Kasten mit der Schnittstelle, oder das Bauteil erscheint als IC-Rechteck mit den Pins A, W, B und den Datenleitungen.

Kennwerte

Am Beispiel der verbreiteten Reihe MCP41x1 von Microchip (SPI, flüchtiger Speicher):

Drei Dinge fallen auf. Erstens ist die Toleranz des Gesamtwiderstands mit ±20 % groß, das Verhältnis in der Schaltung als Spannungsteiler dagegen genau und stabil – wie beim mechanischen Poti. Zweitens kommt in jeder Stellung der Schleiferwiderstand R_W hinzu; selbst bei Code 0 sind zwischen W und B noch rund 75 Ω. Drittens vergisst ein flüchtiges Digipot seine Stellung beim Ausschalten. Typen mit nichtflüchtigem Speicher (EEPROM), etwa der X9C103 mit 100 Stellungen und Auf-Ab-Schnittstelle, starten in der zuletzt gespeicherten Stellung.

Bauformen

Digitalpotentiometer gibt es in kleinen IC-Gehäusen (siehe IC-Gehäuse): DIP-8 für das Steckbrett, SOIC-8 und MSOP-8 für Platinen, SOT-23 und winzige DFN-Gehäuse für Geräte mit wenig Platz. Häufig sind ein oder zwei, manchmal vier Potis in einem Gehäuse. Es gibt Varianten als vollständiges Poti (A, W, B) und als Rheostat mit nur zwei Widerstandsanschlüssen, die einen Pin sparen. Hochvolttypen mit eigener Versorgung erlauben Signale bis etwa 30 V.

Typische Anwendungen

• Abgleich in der Fertigung: Statt einen Trimmer von Hand zu verstellen, misst ein Prüfplatz und schreibt den Wert ins nichtflüchtige Register.
• Verstärkung einstellen: Als Gegenkopplungswiderstand an einem Operationsverstärker macht das Digipot die Verstärkung programmierbar.
• Lautstärke und Klang: In Audiogeräten mit Tasten oder Fernbedienung, oft mit logarithmisch gestuften Spezialtypen.
• Ausgangsspannung eines Reglers: Im Rückkopplungsteiler eines Spannungsreglers verschiebt es die Ausgangsspannung – hier ist besondere Vorsicht beim Einschaltwert geboten.
• Offset- und Schwellwerte: etwa die Schaltschwelle eines Komparators.

Rechenbeispiel: Verstärkung per Software

Ein nichtinvertierender Verstärker hat die Verstärkung V = 1 + R_f / R_g. Als R_f dient ein 10-kΩ-Digipot mit 7 Bit im Rheostatbetrieb (W und B), R_g ist ein fester 1-kΩ-Widerstand.

Wie gut der Wandler danach das verstärkte Signal auflöst, zeigt der ADC-Rechner. Die Verstärkung selbst rechnest du mit dem Rechner nach:

Auswahl und Praxistipps

Kläre zuerst Schnittstelle, Zahl der Stellungen und ob die Stellung das Ausschalten überleben muss. Dann prüfst du, ob alle Signale innerhalb der Versorgungsspannung bleiben, und rechnest den größten Schleiferstrom.

Häufige Fehler:

• Signal außerhalb der Versorgung: Ein Audiosignal, das um 0 V schwingt, an einem Digipot mit 0 bis 5 V Versorgung wird abgeschnitten; die negativen Halbwellen leiten über die Schutzdioden ab. Hebe das Signal auf halbe Versorgungsspannung oder nimm einen Typ mit symmetrischer Versorgung.
• Schleiferstrom überschritten: Im Rheostatbetrieb mit 5 V direkt an W und B fließen bei Code 0 über die 75 Ω etwa 67 mA – mehr als das Fünfundzwanzigfache des erlaubten Werts. Ein Vorwiderstand von mindestens 5 V / 2,5 mA = 2 kΩ in Reihe schützt den IC.
• Einschaltzustand vergessen: Ein flüchtiges Digipot startet in Mittelstellung. Steckt es im Rückkopplungsteiler eines Netzteils, liefert das Netzteil nach dem Einschalten zunächst eine Spannung, die du nie programmiert hast. Plane den Teiler so, dass jede mögliche Stellung ungefährlich ist.
• Versorgung später als Signal: Liegt an A oder B Spannung, bevor der IC versorgt ist, fließt Strom über die Schutzdioden in die Versorgung.
• Zu wenige Stufen für Audio: 7 Bit linear ergeben bei kleiner Lautstärke hörbare Sprünge. Für Audio gibt es Typen mit Dezibel-Stufen.

Selbsttest