"El objetivo de esta actividad de laboratorio es investigar un rectificador activo circuito. Específicamente, un circuito rectificador activo integra un amplificador operacional, un canal P de bajo umbral mosfet, y un circuito de retroalimentación para sintetizar una válvula de corriente unidireccional o un rectificador con un avance más bajo voltaje caída que un diodo de unión PN convencional.
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Por Doug Mercer, investigador consultor y Antoniu Miclaus, ingeniero de aplicaciones de sistemas
Target
El objetivo de esta actividad de laboratorio es investigar un circuito rectificador activo. Específicamente, un circuito rectificador activo integra un amplificador operacional, un canal P de umbral bajo MOSFETy un circuito de retroalimentación para sintetizar una válvula o rectificador de corriente unidireccional con una caída de voltaje directo más baja que un diodo de unión PN convencional.
conocimiento previo
Cuando una fuente de alimentación utiliza diodos tradicionales para rectificar el voltaje de CA para obtener voltaje de CC, se deben rectificar algunas partes inherentemente ineficientes. Un diodo estándar o un diodo ultrarrápido puede tener un voltaje directo de 1 V o más a la corriente nominal. Esta caída de tensión directa del diodo está en serie con la fuente de CA, lo que reduce la tensión de salida de CC potencial. Además, el producto de esta caída de voltaje y la corriente entregada a través del diodo hace que la disipación de energía y la generación de calor puedan ser considerables.
El voltaje directo más bajo de los diodos Schottky es una mejora con respecto a los diodos estándar. Sin embargo, los diodos Schottky también tienen un voltaje directo incorporado. Se pueden lograr eficiencias más altas cambiando activamente el dispositivo MOSFET de forma sincrónica con la forma de onda de CA de entrada para emular un diodo, aprovechando las pérdidas de conducción más bajas del FET. La rectificación activa, a menudo denominada rectificación síncrona, implica cambiar el dispositivo FET en el punto adecuado de la forma de onda de CA en función de la polaridad, de modo que actúe como rectificador y conduzca la corriente solo en la dirección deseada.
A diferencia del caso de los diodos de unión, las pérdidas de conducción de un FET dependen de la resistencia (RDS (ACTIVADO)) y actual. Elija R bajoDS (ACTIVADO)Un FET lo suficientemente grande reduce la caída de voltaje directo a una fracción de lo que puede lograr cualquier diodo. Por lo tanto, los rectificadores síncronos tendrán pérdidas mucho menores que los diodos, lo que ayudará a mejorar la eficiencia general.
El diseño del circuito es más complejo que el de los rectificadores basados en diodos porque las señales de puerta utilizadas para conmutar los FET deben estar sincronizadas. Esta complejidad suele ser más fácil de manejar que la complejidad adicional de tener que eliminar el calor generado por los diodos. Con requisitos de eficiencia cada vez mayores, en muchos casos no hay mejor opción que usar la rectificación síncrona.
Material
• Aprendizaje activo ADALM2000 Módulo
• Protoboard sin soldadura
• saltador
• Un amplificador operacional CMOS AD8541 con entrada/salida de riel a riel a riel
• Un PMOS ZVP2110A Transistor (o equivalente)
• 4.7 µF condensador
• Un condensador de 220 µF
• Un 10 Ω Resistencia
• Una resistencia de 2.2 kΩ
• Una resistencia de 47 kΩ
• Una resistencia de 1 kΩ
ilustrar
Construya el circuito rectificador simple de media onda que se muestra en la Figura 1 en la placa de prueba. El circuito de activación de puerta activa utiliza un amplificador operacional (AD8541) para detectar cuándo la forma de onda de entrada de CA de la salida AWG está por encima del voltaje de salida Vsalir(en la dirección positiva), que a su vez enciende el PMOS Transistor M1. Este circuito proporciona rectificación activa para voltajes de CA tan bajos como el voltaje de suministro mínimo de un amplificador operacional (2.7 V para el AD8541) o el voltaje de umbral de puerta de un dispositivo PMOS (1.5 V típico para el ZVP2110A). A voltajes de entrada más bajos, la compuerta trasera del MOSFET para drenar el diodo toma el control y actúa como un rectificador de diodo normal.
Figura 1. Rectificador activo de media onda que utiliza un amplificador operacional autoalimentado
Figura 2. Rectificador activo de media onda que utiliza un circuito de tablero de pruebas con amplificador operacional autoalimentado
Cuando VINmayor que Vsalirel amplificador operacional encenderá el transistor PMOS, con la siguiente fórmula:
donde (voltaje referenciado a tierra):
VGATEes el voltaje en la puerta de M1.
VINPara voltaje de entrada de CA.
Vsalirpara C1 y RLvoltaje de salida en .
Los voltajes de entrada y salida se pueden relacionar con el voltaje de fuente de drenaje PMOS VDSy voltaje de fuente de puerta VGSUnidos, la fórmula es la siguiente:
La combinación de estas ecuaciones da el controlador de compuerta MOSFET en función del voltaje de fuente de drenaje:
Si el valor de R2 es 21 veces el de R1 (1 MΩ/47 kΩ), el voltaje de fuente de drenaje de M1 VDSUna caída de 75 mV es suficiente para encender un transistor PMOS con un voltaje de umbral de C1.5 V. La relación de R2 a R1 puede ser mayor para reducir la caída de voltaje de entrada a salida o para admitir transistores con voltajes de umbral más altos. .
El amplificador operacional está alimentado por el condensador de suavizado de salida C1, por lo que no se requiere una fuente de alimentación adicional. Hay ciertos requisitos para el amplificador operacional elegido para este circuito. El amplificador debe tener entradas y salidas de riel a riel sin inversión de fase de ganancia cuando se opera cerca de los rieles de suministro. El ancho de banda del amplificador operacional limita la respuesta de frecuencia del circuito. Los amplificadores operacionales de corriente de suministro bajo a menudo se eligen para esta aplicación para mejorar la eficiencia, por lo que el ancho de banda y las tasas de cambio suelen ser más bajas. A frecuencias de entrada de CA más altas (probablemente superiores a 500 Hz), la ganancia del amplificador comenzará a disminuir. El amplificador operacional CMOS de suministro único AD8541 cumple con todos estos requisitos con una corriente de suministro tan baja como 45 µA.
configuración de hardware
En la Figura 2 se muestran las conexiones de la placa de prueba para un rectificador activo de media onda que utiliza un amplificador operacional autoalimentado.
pasos del programa
AWG1 está conectado a VIN, debe configurarse como una onda sinusoidal con una amplitud superior a 6 V pico a pico, desplazamiento cero y una frecuencia de 100 Hz. La entrada del osciloscopio se usa para monitorear varios puntos alrededor del circuito, como VINVsalirRSvoltaje a través y a través de RSy corriente de puerta M1.
Comience con un capacitor más grande de 220 µF para C1. Tanto el 220 µF como el 4.7 µF condensadores están polarizados, así que asegúrese de conectar los extremos positivo y negativo correctamente al circuito.
Use las dos entradas del osciloscopio para monitorear VINen la forma de onda de CA de entrada y VsalirLa forma de onda de salida de CC en . Vsalirdebe estar muy cerca de VINCima. Ahora reemplace el capacitor a granel de 220 µF con un capacitor mucho más pequeño de 4.7 µF. observar VsalirLa forma de onda cambia en. cuando vsalirvalor más cercano a VINel intervalo del ciclo de entrada de CA se compara con el voltaje de puerta del transistor M1.
Figura 3. Uso de un capacitor de 220 µF para VsalirY VIN Copiar diagrama
Figura 4. V utilizando un condensador de 4.7 µFsalirY VIN Copiar diagrama
El canal 2 del osciloscopio está conectado en la derivación (es decir, la resistencia R de 10 ΩS), use la función de medición para obtener los valores pico y promedio de la corriente. Conecte el valor medio con una resistencia de carga R de 2.2 kΩLen comparación con el valor de CC de VsalirCalculado a partir del voltaje medido. Repita esta medida para los valores de condensador de 220 µF y 4.7 µF.
Otros usos de este circuito
Un circuito que solo permite que la corriente fluya en una dirección con una caída de voltaje muy baja en el interruptor tiene otros usos potenciales. En un cargador de batería, donde la potencia de entrada puede ser intermitente (como un panel solar o un generador de turbina eólica), es necesario evitar que la batería se descargue cuando la potencia de entrada no produce un voltaje lo suficientemente alto para cargar la batería. Los diodos Schottky simples se usan típicamente para este propósito, pero como se señaló en la sección de antecedentes, esto da como resultado una pérdida de eficiencia. El uso de un amplificador operacional con una corriente de suministro de funcionamiento suficientemente baja a menudo puede ser menor que la corriente de fuga inversa de un diodo Schottky grande.
pregunta:
¿Puede nombrar algunas aplicaciones prácticas de los rectificadores activos? Puede encontrar respuestas en el foro de Student Zone.
Acerca de los dispositivos analógicos
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) es el líder mundial semiconductor empresa dedicada a unir los mundos físico y digital para permitir innovaciones revolucionarias en el borde inteligente. ADI ofrece soluciones que combinan tecnologías analógicas, digitales y de software para promover el desarrollo continuo de fábricas digitales, automóviles y atención médica digital, abordar los desafíos del cambio climático y establecer una interconexión confiable entre las personas y todo en el mundo. Los ingresos del año fiscal 2022 de ADI superan los US $ 12 mil millones, con más de 24,000 empleados en todo el mundo. Junto con 125,000 XNUMX clientes en todo el mundo, ADI ayuda a los innovadores a seguir superando lo que es posible. Para obtener más información, visite www.analog.com/cn.
Sobre el Autor
Doug Mercer se graduó del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) en 1977 con un BSEE. Desde que se unió a Analog Devices en 1977, ha contribuido directa o indirectamente a más de 30 productos de conversión de datos y posee 13 patentes. Fue nombrado miembro de ADI en 1995. En 2009, hizo la transición de un empleo de tiempo completo y continúa sirviendo como consultor de ADI como investigador emérito, escribiendo para Active Learning Initiative. En 2016, fue nombrado Ingeniero en Residencia del Departamento ECSE de RPI. Contacto: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus es actualmente ingeniero de aplicaciones de sistemas en Analog Devices, trabaja en proyectos de enseñanza de ADI y desarrolla software integrado para Circuits from the Lab®, automatización de control de calidad y gestión de procesos. Se unió a Analog Devices en febrero de 2017 en Cluj-Napoca, Rumania. Actualmente es estudiante de maestría en el programa de maestría en ingeniería de software de la Universidad Babes Bowyer y tiene una licenciatura en ingeniería electrónica y de telecomunicaciones de la Universidad Técnica de Cluj-Napoca. Contacto: antoniu.miclaus@analog.com.
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