"الهدف من هذا النشاط المخبري هو فحص المعدل النشط الدارة الكهربائية. على وجه التحديد ، تدمج دائرة المعدل النشط مضخمًا تشغيليًا ، قناة P منخفضة العتبة MOSFET، وحلقة تغذية مرتدة لتجميع صمام أو مقوم تيار أحادي الاتجاه مع انخفاض للأمام الجهد االكهربى انخفاض من الصمام الثنائي التقليدي PN تقاطع.
"
بقلم دوج ميرسر ، باحث استشاري وأنتونيو ميكلاوس ، مهندس تطبيقات الأنظمة
الهدف
الهدف من هذا النشاط المعملي هو دراسة دائرة مقوم نشطة. على وجه التحديد، تدمج دائرة المقوم النشطة مضخمًا تشغيليًا، وقناة P ذات عتبة منخفضة MOSFET، وحلقة تغذية مرتدة لتجميع صمام تيار أحادي الاتجاه أو مقوم مع انخفاض جهد أمامي أقل من صمام ثنائي وصل PN التقليدي.
الخلفية المعرفية
عندما يستخدم مصدر الطاقة الثنائيات التقليدية لتصحيح جهد التيار المتردد للحصول على جهد التيار المستمر ، يجب تصحيح بعض الأجزاء غير الفعالة بطبيعتها. قد يكون للديود القياسي أو الصمام الثنائي فائق السرعة جهد أمامي قدره 1 فولت أو أكثر في التيار المقنن. هذا الانخفاض في الجهد الأمامي للديود متسلسل مع مصدر التيار المتردد ، مما يقلل من جهد خرج التيار المستمر. أيضًا ، ناتج هذا الانخفاض في الجهد والتيار الذي يتم توصيله عبر الصمام الثنائي يعني أن تبديد الطاقة وتوليد الحرارة يمكن أن يكونا كبيرين.
يعد الجهد الأمامي المنخفض لثنائيات شوتكي بمثابة تحسن عن الثنائيات القياسية. ومع ذلك ، فإن ثنائيات شوتكي تحتوي أيضًا على جهد أمامي ثابت. يمكن تحقيق كفاءات أعلى من خلال التبديل النشط لجهاز MOSFET بشكل متزامن مع شكل موجة الإدخال AC لمحاكاة الصمام الثنائي ، والاستفادة من خسائر التوصيل المنخفضة لـ FET. يتضمن التصحيح النشط ، الذي يشار إليه غالبًا باسم التصحيح المتزامن ، تبديل جهاز FET عند النقطة المناسبة في شكل موجة التيار المتردد استنادًا إلى القطبية ، لذلك فهو يعمل كمقوِّم ، ويوصل التيار فقط في الاتجاه المطلوب.
على عكس حالة الثنائيات الوصلة ، فإن خسائر التوصيل لـ FET تعتمد على المقاومة (RDS (تشغيل)) والحالية. اختر منخفض RDS (تشغيل)يقلل FET الكبير بدرجة كافية من انخفاض الجهد الأمامي إلى جزء صغير مما يمكن أن يحققه أي ديود. لذلك ، سيكون للمعدلات المتزامنة خسائر أقل بكثير من الثنائيات ، مما يساعد على تحسين الكفاءة الكلية.
تصميم الدائرة أكثر تعقيدًا من المقومات القائمة على الصمام الثنائي لأن إشارات البوابة المستخدمة لتبديل FETs يجب أن تكون متزامنة. غالبًا ما يكون هذا التعقيد أسهل في التعامل معه من التعقيد الإضافي المتمثل في الاضطرار إلى إزالة الحرارة الناتجة عن الثنائيات. مع متطلبات الكفاءة المتزايدة باستمرار ، في كثير من الحالات لا يوجد خيار أفضل من استخدام التصحيح المتزامن.
الخامة
• ADALM2000 التعلم النشط وحدة
• لوح توصيل غير ملحوم
• سترة او قفاز او لاعب قفز
• مكبر تشغيل واحد AD8541 CMOS مع إدخال / إخراج من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية إلى السكك الحديدية
• واحد ZVP2110A PMOS الترانزستور (أو ما يعادلها)
• 4.7 درجة فهرنهايت مكثف
• مكثف 220 µF
• أ 10 المقاوم
• مقاوم 2.2 كيلو أوم
• مقاوم 47 كيلو أوم
• مقاوم 1 كيلو أوم
توضيح
قم ببناء دائرة المعدل نصف الموجة البسيطة الموضحة في الشكل 1 على اللوح. تستخدم دائرة محرك البوابة النشطة مضخمًا تشغيليًا (AD8541) لاكتشاف متى يكون شكل موجة إدخال التيار المتردد من خرج AWG أعلى من جهد الخرج Vخارج(في الاتجاه الإيجابي) ، والذي بدوره يقوم بتشغيل PMOS الترانزستور م 1. توفر هذه الدائرة تصحيحًا نشطًا لجهود التيار المتردد منخفضة مثل الحد الأدنى لجهد الإمداد لمضخم الصوت (2.7 فولت لـ AD8541) أو جهد عتبة البوابة لجهاز PMOS (1.5 فولت نموذجي لـ ZVP2110A). عند الفولتية المنخفضة للإدخال ، تتولى البوابة الخلفية للـ MOSFET لتصريف الصمام الثنائي ، العمل كمقوم عادي للديود.
الشكل 1. مقوم نصف الموجة النشط باستخدام أمبير المرجع الذاتي
الشكل 2. المعدل نصف الموجي النشط باستخدام دائرة اللوح ذات الأمبير التشغيلي ذاتية التشغيل
عندما كان V.INأكبر من V.خارجسيعمل المرجع أمبير على تشغيل ترانزستور PMOS ، بالصيغة التالية:
حيث (الجهد المشار إليه على الأرض):
VGATEهو الجهد عند بوابة M1.
VINلجهد إدخال التيار المتردد.
Vخارجلـ C1 و R.Lجهد الخرج في.
يمكن أن ترتبط جهود الإدخال والإخراج بجهد مصدر تصريف PMOS VDSوالجهد منبع البوابة VGSمرتبطة معًا ، تكون الصيغة كما يلي:
الجمع بين هذه المعادلات يعطي محرك بوابة MOSFET كدالة لجهد مصدر التصريف:
إذا كانت قيمة R2 تبلغ 21 ضعف قيمة R1 (1 MΩ / 47 kΩ) ، فإن جهد مصدر الصرف M1 VDSيعتبر انخفاض 75 مللي فولت كافيًا لتشغيل ترانزستور PMOS بجهد عتبة C1.5 فولت.يمكن أن تكون نسبة R2 إلى R1 أكبر لتقليل انخفاض جهد الدخل إلى الخرج أو لدعم الترانزستورات بجهد عتبة أعلى .
يتم تشغيل أمبير المرجع بواسطة مكثف تجانس الخرج C1 ، لذلك لا يلزم توفير مصدر طاقة إضافي. هناك متطلبات معينة للمرجع المختار لهذه الدائرة. يجب أن يحتوي مكبر الصوت على مدخلات ومخرجات من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية دون انعكاس طور الكسب عند التشغيل بالقرب من قضبان الإمداد. يحد عرض النطاق الترددي لمضخم الصوت من استجابة التردد للدائرة. غالبًا ما يتم اختيار الأمبيرات التشغيلية منخفضة الإمداد لهذا التطبيق لتحسين الكفاءة ، لذلك عادةً ما تكون معدلات النطاق الترددي والعدد الكبير أقل. في ترددات دخل التيار المتردد الأعلى (ربما أعلى من 500 هرتز) ، سيبدأ كسب مكبر الصوت في الانخفاض. يلبي مضخم CMOS أحادي الإمداد AD8541 كل هذه المتطلبات بتيار إمداد منخفض يصل إلى 45 A.
إعدادات الأجهزة
يوضح الشكل 2 اتصالات اللوح لمعدل نصف موجة نشط باستخدام أمبير يعمل بالطاقة الذاتية.
خطوات البرنامج
AWG1 متصل بـ V.IN، يجب تشكيلها على شكل موجة جيبية بسعة أكبر من 6 فولت من الذروة إلى الذروة ، والتخالف الصفري ، وتردد 100 هرتز. يستخدم إدخال الذبذبات لمراقبة نقاط مختلفة حول الدائرة ، مثل V.INVخارجRSالجهد عبر ومن خلال R.Sو M1 بوابة الحالية.
ابدأ بمكثف أكبر من 220 درجة فهرنهايت لـ C1. كل من 220 درجة فهرنهايت و 4.7 درجة فهرنهايت المكثفات مستقطبة ، لذا تأكد من توصيل الأطراف الموجبة والسالبة بشكل صحيح بالدائرة.
استخدم مدخلي راسم الذبذبات لمراقبة V.INفي شكل موجة الإدخال AC و V.خارجشكل الموجة الناتج DC عند. الخامسخارجيجب أن يكون قريبًا جدًا من V.INقمة. الآن استبدل المكثف الحجمي 220 F بمكثف أصغر بكثير 4.7 µF. لاحظ V.خارجيتغير شكل الموجة عند. عندما كان V.خارجالقيمة الأقرب إلى V.INتتم مقارنة الفاصل الزمني لدورة إدخال التيار المتردد بجهد بوابة الترانزستور M1.
الشكل 3. استخدام مكثف 220 درجة فهرنهايت لـ V.خارجو VIN مخطط Scopy
الشكل 4. V باستخدام 4.7 µF مكثفخارجو VIN مخطط Scopy
قناة راسم الذبذبات 2 متصلة عند التحويلة (أي 10 Ω المقاوم RS) ، استخدم ميزة القياس للحصول على قيم الذروة ومتوسط التيار. قم بتوصيل متوسط القيمة بمقاوم تحميل 2.2 كيلو أوم RLمقارنةً بقيمة العاصمة Vخارجمحسوب من الجهد المقاس. كرر هذا القياس لقيم مكثف 220 درجة فهرنهايت و 4.7 درجة فهرنهايت.
استخدامات أخرى لهذه الدائرة
الدائرة التي تسمح فقط للتيار بالتدفق في اتجاه واحد مع انخفاض الجهد المنخفض جدًا عبر المفتاح لها استخدامات محتملة أخرى. في شاحن البطارية ، حيث قد تكون طاقة الإدخال متقطعة (مثل الألواح الشمسية أو مولد توربينات الرياح) ، من الضروري منع البطارية من التفريغ عندما لا تنتج طاقة الإدخال جهدًا كافيًا لشحن البطارية. تُستخدم ثنائيات شوتكي البسيطة عادةً لهذا الغرض ، ولكن كما هو مذكور في قسم الخلفية ، يؤدي هذا إلى فقدان الكفاءة. غالبًا ما يكون استخدام مضخم صوت بتيار إمداد تشغيل منخفض بدرجة كافية أقل من تيار التسرب العكسي لصمام ثنائي شوتكي كبير.
السؤال:
هل يمكنك تسمية بعض التطبيقات العملية للمعدلات النشطة؟ يمكنك العثور على إجابات في منتدى Student Zone.
حول الأجهزة التناظرية
شركة Analog Devices، Inc. (NASDAQ: ADI) هي الشركة الرائدة عالميًا أشباه الموصلات شركة مكرسة لسد الجسور بين العالمين المادي والرقمي لتمكين الابتكارات الخارقة على الحافة الذكية. تقدم ADI حلولًا تجمع بين التقنيات التناظرية والرقمية والبرمجية لتعزيز التطوير المستمر للمصانع الرقمية والسيارات والرعاية الطبية الرقمية ، ومواجهة تحديات تغير المناخ ، وإنشاء اتصال موثوق به بين الناس وكل شيء في العالم. تتجاوز إيرادات ADI للسنة المالية 2022 12 مليار دولار أمريكي ، ويعمل بها أكثر من 24,000 موظف حول العالم. جنبًا إلى جنب مع 125,000 عميل حول العالم ، تساعد ADI المبتكرين على الاستمرار في تجاوز ما هو ممكن. لمزيد من المعلومات ، قم بزيارة www.analog.com/cn.
عن المؤلف
تخرج دوج ميرسر من معهد Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) في عام 1977 وحصل على شهادة BSEE. منذ انضمامه إلى الأجهزة التناظرية في عام 1977 ، ساهم بشكل مباشر أو غير مباشر في أكثر من 30 منتجًا من منتجات تحويل البيانات وحاصل على 13 براءة اختراع. حصل على زمالة ADI في عام 1995. في عام 2009 ، انتقل من العمل بدوام كامل واستمر في العمل كمستشار لـ ADI كباحث فخري ، يكتب لمبادرة التعلم النشط. في عام 2016 ، تم تعيينه كمهندس مقيم لقسم RPI ECSE. الاتصال: doug.mercer@analog.com.
يشغل أنطونيو ميكلاوس حاليًا منصب مهندس تطبيقات النظام في الأجهزة التناظرية ، ويعمل على مشاريع تعليم ADI ويطور البرامج المضمنة للدوائر من Lab® ، وأتمتة ضمان الجودة ، وإدارة العمليات. انضم إلى الأجهزة التناظرية في فبراير 2017 في كلوج نابوكا ، رومانيا. وهو حاليًا طالب ماجستير في برنامج ماجستير هندسة البرمجيات بجامعة Babes Bowyer وحاصل على درجة البكالوريوس في هندسة الإلكترونيات والاتصالات من الجامعة التقنية في كلوج نابوكا. جهة الاتصال: antoniu.miclaus@analog.com.
عرض المزيد : وحدات IGBT | شاشات الكريستال السائل | مكونات إلكترونية