"Das Ziel dieser Laboraktivität ist die Untersuchung eines aktiven Gleichrichters Schaltung. Konkret integriert eine aktive Gleichrichterschaltung einen Operationsverstärker, einen P-Kanal mit niedrigem Schwellenwert MOSFETund eine Rückkopplungsschleife, um ein unidirektionales Stromventil oder einen Gleichrichter mit einem niedrigeren Vorwärtsstrom zu synthetisieren Spannung Spannungsabfall als eine herkömmliche PN-Sperrschichtdiode.
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Von Doug Mercer, beratender Forscher und Antoniu Miclaus, Systemanwendungsingenieur
Target
Das Ziel dieser Laboraktivität ist die Untersuchung einer aktiven Gleichrichterschaltung. Konkret integriert eine aktive Gleichrichterschaltung einen Operationsverstärker, einen P-Kanal mit niedrigem Schwellenwert MOSFETund eine Rückkopplungsschleife, um ein unidirektionales Stromventil oder einen Gleichrichter mit einem geringeren Durchlassspannungsabfall als eine herkömmliche PN-Sperrschichtdiode zu synthetisieren.
Hintergrundwissen
Wenn ein Netzteil herkömmliche Dioden verwendet, um Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln, müssen einige von Natur aus ineffiziente Teile gleichgerichtet werden. Eine Standarddiode oder eine ultraschnelle Diode kann bei Nennstrom eine Durchlassspannung von 1 V oder mehr haben. Dieser Durchlassspannungsabfall der Diode liegt in Reihe mit der Wechselstromquelle, wodurch die potenzielle Gleichausgangsspannung reduziert wird. Außerdem bedeutet das Produkt aus diesem Spannungsabfall und dem durch die Diode gelieferten Strom, dass die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung beträchtlich sein können.
Die niedrigere Durchlassspannung von Schottky-Dioden ist eine Verbesserung gegenüber Standarddioden. Schottky-Dioden verfügen jedoch auch über eine eingebaute feste Durchlassspannung. Höhere Wirkungsgrade können erreicht werden, indem das MOSFET-Gerät aktiv synchron mit der Eingangs-AC-Wellenform geschaltet wird, um eine Diode zu emulieren, wobei die geringeren Leitungsverluste des FET ausgenutzt werden. Bei der aktiven Gleichrichtung, oft auch als Synchrongleichrichtung bezeichnet, wird das FET-Gerät je nach Polarität an der entsprechenden Stelle in der Wechselstromwellenform geschaltet, sodass es als Gleichrichter fungiert und den Strom nur in die gewünschte Richtung leitet.
Anders als bei Sperrschichtdioden hängen die Leitungsverluste eines FET vom Durchlasswiderstand (R) abDS (EIN)) und aktuell. Wählen Sie ein niedriges RDS (EIN)Ein ausreichend großer FET reduziert den Durchlassspannungsabfall auf einen Bruchteil dessen, was jede Diode erreichen kann. Daher haben Synchrongleichrichter viel geringere Verluste als Dioden und tragen so zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads bei.
Der Schaltungsaufbau ist komplexer als bei diodenbasierten Gleichrichtern, da die Gate-Signale zum Schalten der FETs synchronisiert werden müssen. Diese Komplexität ist oft einfacher zu handhaben als die zusätzliche Komplexität, die durch die Ableitung der von den Dioden erzeugten Wärme entsteht. Angesichts ständig steigender Effizienzanforderungen gibt es in vielen Fällen keine bessere Wahl als den Einsatz der Synchrongleichrichtung.
Werkstoff
• ADALM2000 Aktives Lernen Modul
• Lötfreies Steckbrett
• Pullover
• Ein AD8541 CMOS-Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-to-Rail-Eingang/Ausgang
• Ein ZVP2110A PMOS Transistor (oder gleichwertig)
• A 4.7 µF Kondensator
• Ein 220 µF-Kondensator
• A 10 Ω Widerstand
• Ein 2.2-kΩ-Widerstand
• Ein 47-kΩ-Widerstand
• Ein 1-kΩ-Widerstand
veranschaulichen
Bauen Sie die in Abbildung 1 gezeigte einfache Einweggleichrichterschaltung auf dem Steckbrett. Die aktive Gate-Treiberschaltung verwendet einen Operationsverstärker (AD8541), um zu erkennen, wann die AC-Eingangswellenform vom AWG-Ausgang über der Ausgangsspannung V liegt (in positiver Richtung), was wiederum das PMOS einschaltet Transistor M1. Diese Schaltung bietet eine aktive Gleichrichtung für Wechselspannungen, die so niedrig sind wie die minimale Versorgungsspannung eines Operationsverstärkers (2.7 V für den AD8541) oder die Gate-Schwellenspannung eines PMOS-Bausteins (typisch 1.5 V für den ZVP2110A). Bei niedrigeren Eingangsspannungen übernimmt die Back-Gate-Drain-Diode des MOSFET die Funktion und fungiert als normaler Diodengleichrichter.
Abbildung 1. Aktiver Einweggleichrichter mit autarkem Operationsverstärker
Abbildung 2. Aktiver Einweggleichrichter unter Verwendung einer selbstversorgten Operationsverstärker-Breadboard-Schaltung
Wenn V.INgrößer als V Der Operationsverstärker schaltet den PMOS-Transistor mit der folgenden Formel ein:
wobei (Spannung bezogen auf Erde):
VGATEist die Spannung am Gate von M1.
VINFür AC-Eingangsspannung.
V für C1 und RLAusgangsspannung bei .
Die Eingangs- und Ausgangsspannungen können auf die Drain-Source-Spannung V des PMOS bezogen werdenDSund Gate-Source-Spannung VGSZusammengesetzt ergibt sich folgende Formel:
Die Kombination dieser Gleichungen ergibt die MOSFET-Gate-Ansteuerung als Funktion der Drain-Source-Spannung:
Wenn der Wert von R2 das 21-fache des Werts von R1 (1 MΩ/47 kΩ) beträgt, beträgt die Drain-Source-Spannung von M1 VDSEin Abfall von 75 mV reicht aus, um einen PMOS-Transistor mit einer Schwellenspannung von C1.5 V einzuschalten. Das Verhältnis von R2 zu R1 kann größer sein, um den Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang zu verringern oder Transistoren mit höheren Schwellenspannungen zu unterstützen .
Der Operationsverstärker wird vom Ausgangsglättungskondensator C1 mit Strom versorgt, sodass keine zusätzliche Stromversorgung erforderlich ist. Für den für diese Schaltung ausgewählten Operationsverstärker gelten bestimmte Anforderungen. Der Verstärker muss über Rail-to-Rail-Eingänge und -Ausgänge ohne Verstärkungsphasenumkehr verfügen, wenn er in der Nähe der Versorgungsschienen betrieben wird. Die Bandbreite des Operationsverstärkers begrenzt den Frequenzgang der Schaltung. Um die Effizienz zu verbessern, werden für diese Anwendung häufig Operationsverstärker mit niedrigem Versorgungsstrom gewählt, sodass Bandbreite und Anstiegsraten normalerweise geringer sind. Bei höheren AC-Eingangsfrequenzen (wahrscheinlich höher als 500 Hz) beginnt die Verstärkung des Verstärkers zu sinken. Der Single-Supply-CMOS-Operationsverstärker AD8541 erfüllt alle diese Anforderungen mit einem Versorgungsstrom von nur 45 µA.
Hardwareeinstellungen
Die Steckplatinenanschlüsse für einen aktiven Einweggleichrichter mit autarkem Operationsverstärker sind in Abbildung 2 dargestellt.
Programmschritte
AWG1 ist mit V verbundenIN, sollte als Sinuswelle mit einer Amplitude von mehr als 6 V Spitze-zu-Spitze, Nullpunktverschiebung und einer Frequenz von 100 Hz konfiguriert werden. Der Oszilloskopeingang wird zur Überwachung verschiedener Punkte im Stromkreis verwendet, z. B. VINV RSSpannung über und durch RSund M1-Gate-Strom.
Beginnen Sie mit einem größeren Kondensator von 220 µF für C1. Sowohl 220 µF als auch 4.7 µF Kondensatoren sind polarisiert. Achten Sie daher darauf, die positiven und negativen Enden richtig an den Stromkreis anzuschließen.
Verwenden Sie die beiden Oszilloskopeingänge, um V zu überwachenINam Eingang AC-Wellenform und V Die DC-Ausgangswellenform bei . V sollte sehr nahe bei V liegenINGipfel. Ersetzen Sie nun den großen 220-µF-Kondensator durch einen viel kleineren 4.7-µF-Kondensator. beobachte V Die Wellenform ändert sich bei. Als V Wert, der V am nächsten kommtINDas Intervall des AC-Eingangszyklus wird mit der Gate-Spannung des Transistors M1 verglichen.
Abbildung 3. Verwendung eines 220-µF-Kondensators für V und VIN Skopie-Diagramm
Abbildung 4. V unter Verwendung eines 4.7-µF-Kondensators und VIN Skopie-Diagramm
Oszilloskopkanal 2 ist am Shunt (d. h. 10 Ω-Widerstand R) angeschlossenS), verwenden Sie die Messfunktion, um die Spitzen- und Durchschnittswerte des Stroms zu erhalten. Verbinden Sie den Mittelwert mit einem 2.2 kΩ Lastwiderstand RLverglichen mit dem DC-Wert von V Berechnet aus der gemessenen Spannung. Wiederholen Sie diese Messung für die Kondensatorwerte 220 µF und 4.7 µF.
Andere Verwendungsmöglichkeiten dieser Schaltung
Eine Schaltung, die den Stromfluss nur in eine Richtung mit einem sehr geringen Spannungsabfall am Schalter zulässt, hat andere potenzielle Verwendungsmöglichkeiten. Bei einem Batterieladegerät, bei dem die Eingangsleistung intermittierend sein kann (z. B. bei einem Solarpanel oder einem Windkraftgenerator), muss verhindert werden, dass sich die Batterie entlädt, wenn die Eingangsleistung keine ausreichend hohe Spannung zum Laden der Batterie erzeugt. Typischerweise werden für diesen Zweck einfache Schottky-Dioden verwendet, aber wie im Abschnitt „Hintergrund“ erwähnt, führt dies zu einem Effizienzverlust. Die Verwendung eines Operationsverstärkers mit einem ausreichend niedrigen Betriebsversorgungsstrom kann oft niedriger sein als der Sperrleckstrom einer großen Schottky-Diode.
Frage:
Können Sie einige praktische Anwendungen aktiver Gleichrichter nennen? Antworten finden Sie im Student Zone-Forum.
Über analoge Geräte
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) ist weltweit führend Halbleiter Ein Unternehmen, das sich der Verbindung der physischen und digitalen Welt verschrieben hat, um bahnbrechende Innovationen am intelligenten Rand zu ermöglichen. ADI bietet Lösungen, die analoge, digitale und Softwaretechnologien kombinieren, um die kontinuierliche Entwicklung digitaler Fabriken, Automobile und digitaler medizinischer Versorgung zu fördern, den Herausforderungen des Klimawandels zu begegnen und eine zuverlässige Verbindung zwischen Menschen und allem auf der Welt herzustellen. Der Umsatz von ADI im Geschäftsjahr 2022 übersteigt 12 Milliarden US-Dollar und beschäftigt weltweit mehr als 24,000 Mitarbeiter. Zusammen mit 125,000 Kunden auf der ganzen Welt hilft ADI Innovatoren, weiterhin über das Mögliche hinauszugehen. Weitere Informationen finden Sie unter www.analog.com/cn.
Über den Autor
Doug Mercer schloss 1977 sein Studium am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) mit einem BSEE ab. Seit seinem Eintritt bei Analog Devices im Jahr 1977 hat er direkt oder indirekt an mehr als 30 Datenkonverternprodukten mitgewirkt und ist Inhaber von 13 Patenten. Er wurde 1995 zum ADI Fellow ernannt. Im Jahr 2009 wechselte er von seiner Vollzeitbeschäftigung und ist weiterhin als emeritierter Forscher als Berater für ADI tätig und schreibt für die Active Learning Initiative. Im Jahr 2016 wurde er zum Engineer-in-Residence der RPI ECSE-Abteilung ernannt. Kontakt: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus ist derzeit Systemanwendungsingenieur bei Analog Devices, arbeitet an ADI-Lehrprojekten und entwickelt eingebettete Software für Circuits from the Lab®, Qualitätssicherungsautomatisierung und Prozessmanagement. Er kam im Februar 2017 zu Analog Devices in Cluj-Napoca, Rumänien. Derzeit ist er MSc-Student im Software Engineering MSc-Programm der Babes Bowyer University und hat einen BSc in Elektronik- und Telekommunikationstechnik von der Technischen Universität Cluj-Napoca. Kontakt: antoniu.miclaus@analog.com.
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