"Tujuan dari kegiatan laboratorium ini adalah untuk menyelidiki penyearah aktif sirkit. Secara khusus, rangkaian penyearah aktif mengintegrasikan penguat operasional, saluran-P ambang rendah MOSFET, dan loop umpan balik untuk mensintesis katup arus searah atau penyearah dengan maju lebih rendah tegangan drop dari dioda persimpangan PN konvensional.
"
Oleh Doug Mercer, Peneliti Konsultan dan Antoniu Miclaus, Insinyur Aplikasi Sistem
target
Tujuan dari kegiatan praktikum ini adalah untuk mengetahui rangkaian penyearah aktif. Secara khusus, rangkaian penyearah aktif mengintegrasikan penguat operasional, saluran P ambang batas rendah MOSFET, dan loop umpan balik untuk mensintesis katup atau penyearah arus searah dengan penurunan tegangan maju yang lebih rendah daripada dioda sambungan PN konvensional.
latar belakang pengetahuan
Ketika catu daya menggunakan dioda tradisional untuk memperbaiki tegangan AC untuk mendapatkan tegangan DC, beberapa bagian yang tidak efisien harus diperbaiki. Dioda standar atau dioda ultrafast mungkin memiliki tegangan maju 1 V atau lebih pada arus pengenal. Penurunan tegangan maju dioda ini seri dengan sumber AC, yang mengurangi tegangan output DC potensial. Juga, produk dari penurunan tegangan ini dan arus yang dialirkan melalui dioda berarti bahwa disipasi daya dan pembangkitan panas bisa sangat besar.
Tegangan maju yang lebih rendah dari dioda Schottky merupakan peningkatan dari dioda standar. Namun, dioda Schottky juga memiliki tegangan maju tetap bawaan. Efisiensi yang lebih tinggi dapat dicapai dengan secara aktif mengalihkan perangkat MOSFET secara sinkron dengan bentuk gelombang input AC untuk meniru dioda, mengambil keuntungan dari kerugian konduksi FET yang lebih rendah. Penyearah aktif, sering disebut sebagai penyearah sinkron, melibatkan pengalihan perangkat FET pada titik yang sesuai dalam bentuk gelombang AC berdasarkan polaritas, sehingga berfungsi sebagai penyearah, mengalirkan arus hanya ke arah yang diinginkan.
Berbeda dengan kasus dioda sambungan, kerugian konduksi FET bergantung pada resistansi-on (RDS (AKTIF)) dan arus. Pilih R rendahDS (AKTIF)FET yang cukup besar mengurangi penurunan tegangan maju menjadi sebagian kecil dari apa yang dapat dicapai oleh dioda mana pun. Oleh karena itu, penyearah sinkron akan memiliki kerugian yang jauh lebih rendah daripada dioda, membantu meningkatkan efisiensi secara keseluruhan.
Rancangan sirkuit lebih kompleks daripada penyearah berbasis dioda karena sinyal gerbang yang digunakan untuk mengalihkan FET harus disinkronkan. Kompleksitas ini seringkali lebih mudah ditangani daripada kompleksitas tambahan karena harus menghilangkan panas yang dihasilkan oleh dioda. Dengan persyaratan efisiensi yang terus meningkat, dalam banyak kasus tidak ada pilihan yang lebih baik daripada menggunakan pembetulan sinkron.
Bahan
• Pembelajaran Aktif ADALM2000 Modul
• Breadboard Tanpa Solder
• pelompat
• Satu amplifier operasional CMOS AD8541 dengan input/output rel-ke-rel-ke-rel
• Satu PMOS ZVP2110A Transistor (atau setara)
• A 4.7 µF kapasitor
• Kapasitor 220 µF
• A 10 Ω Penghambat
• Resistor 2.2 kΩ
• Resistor 47 kΩ
• Resistor 1 kΩ
menjelaskan
Bangun rangkaian penyearah setengah gelombang sederhana yang ditunjukkan pada Gambar 1 di papan tempat memotong roti. Rangkaian penggerak gerbang aktif menggunakan penguat operasional (AD8541) untuk mendeteksi ketika bentuk gelombang masukan AC dari keluaran AWG berada di atas tegangan keluaran Vdi luar(ke arah positif), yang pada gilirannya menyalakan PMOS Transistor M1. Sirkuit ini memberikan perbaikan aktif untuk tegangan ac serendah tegangan suplai minimum op amp (2.7 V untuk AD8541) atau tegangan ambang gerbang perangkat PMOS (1.5 V tipikal untuk ZVP2110A). Pada tegangan input yang lebih rendah, gerbang belakang MOSFET untuk mengalirkan dioda mengambil alih, bertindak sebagai penyearah dioda normal.
Gambar 1. Penyearah setengah gelombang aktif menggunakan op amp mandiri
Gambar 2. Penyearah Setengah Gelombang Aktif Menggunakan Sirkuit Breadboard Op Amp Bertenaga Mandiri
Saat VINlebih besar dari Vdi luarop amp akan menyalakan transistor PMOS, dengan rumus sebagai berikut:
dimana (tegangan direferensikan ke tanah):
VGERBANGadalah tegangan pada gerbang M1.
VINUntuk tegangan input AC.
Vdi luaruntuk C1 dan RLtegangan keluaran pada .
Tegangan input dan output dapat dikaitkan dengan tegangan sumber saluran PMOS VDSdan tegangan sumber gerbang VGSDitautkan bersama, rumusnya adalah sebagai berikut:
Menggabungkan persamaan ini memberikan drive gerbang MOSFET sebagai fungsi dari sumber tegangan drain:
Jika nilai R2 adalah 21 kali nilai R1 (1 MΩ/47 kΩ), tegangan drain-source M1 VDSPenurunan 75 mV cukup untuk menghidupkan transistor PMOS dengan tegangan ambang C1.5 V. Rasio R2 ke R1 dapat lebih besar untuk mengurangi penurunan tegangan input-ke-output atau untuk mendukung transistor dengan tegangan ambang yang lebih tinggi .
Op amp ditenagai oleh kapasitor smoothing output C1, jadi tidak diperlukan catu daya tambahan. Ada persyaratan tertentu untuk op amp yang dipilih untuk rangkaian ini. Amplifier harus memiliki input dan output rel-ke-rel tanpa pembalikan fasa penguatan saat beroperasi di dekat rel suplai. Bandwidth op amp membatasi respons frekuensi rangkaian. Op amp arus suplai rendah sering dipilih untuk aplikasi ini untuk meningkatkan efisiensi, sehingga bandwidth dan laju perubahan tegangan biasanya lebih rendah. Pada frekuensi input AC yang lebih tinggi (mungkin lebih tinggi dari 500 Hz), penguatan amplifier akan mulai turun. Op amp CMOS suplai tunggal AD8541 memenuhi semua persyaratan ini dengan arus suplai serendah 45 µA.
pengaturan perangkat keras
Koneksi papan tempat memotong roti untuk penyearah setengah gelombang aktif menggunakan op amp mandiri ditunjukkan pada Gambar 2.
langkah program
AWG1 terhubung ke VIN, harus dikonfigurasi sebagai gelombang sinus dengan amplitudo lebih besar dari 6 V puncak ke puncak, offset nol, dan frekuensi 100 Hz. Input osiloskop digunakan untuk memantau berbagai titik di sekitar rangkaian, seperti VINVdi luarRStegangan melintasi, dan melalui RSdan arus gerbang M1.
Mulailah dengan kapasitor yang lebih besar 220 µF untuk C1. Baik 220 μF dan 4.7 μF Kapasitor terpolarisasi, jadi pastikan untuk menghubungkan ujung positif dan negatif dengan benar ke sirkuit.
Gunakan dua input osiloskop untuk memantau VINpada input gelombang AC dan Vdi luarBentuk gelombang keluaran DC pada . Vdi luarharus sangat dekat dengan VINPuncak. Sekarang ganti kapasitor 220 μF massal dengan kapasitor 4.7 μF yang jauh lebih kecil. amati Vdi luarBentuk gelombang berubah pada. Ketika Vdi luarnilai terdekat dengan VINinterval siklus input AC dibandingkan dengan tegangan gerbang transistor M1.
Gambar 3. Menggunakan Kapasitor 220 µF untuk Vdi luarDan VIN Gambar diagram
Gambar 4. V Menggunakan Kapasitor 4.7 µFdi luarDan VIN Gambar diagram
Saluran osiloskop 2 terhubung pada shunt (yaitu resistor 10 Ω RS), gunakan fitur pengukuran untuk mendapatkan nilai puncak dan rata-rata arus. Hubungkan nilai rata-rata dengan resistor beban 2.2 kΩ RLdibandingkan dengan nilai DC dari Vdi luarDihitung dari tegangan terukur. Ulangi pengukuran ini untuk nilai kapasitor 220 µF dan 4.7 µF.
Kegunaan lain dari sirkuit ini
Sirkuit yang hanya memungkinkan arus mengalir dalam satu arah dengan penurunan tegangan yang sangat rendah di sakelar memiliki kegunaan potensial lainnya. Dalam pengisi daya baterai, di mana daya input mungkin terputus-putus (seperti panel surya atau generator turbin angin), perlu untuk mencegah baterai habis ketika daya input tidak menghasilkan tegangan yang cukup tinggi untuk mengisi daya baterai. Dioda Schottky sederhana biasanya digunakan untuk tujuan ini, tetapi seperti disebutkan di bagian latar belakang, ini mengakibatkan hilangnya efisiensi. Menggunakan op amp dengan arus suplai operasi yang cukup rendah seringkali bisa lebih rendah daripada arus bocor balik dari dioda Schottky yang besar.
pertanyaan:
Bisakah Anda menyebutkan beberapa aplikasi praktis penyearah aktif? Anda dapat menemukan jawabannya di forum Student Zone.
Tentang Perangkat Analog
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) adalah yang terkemuka di dunia semikonduktor perusahaan yang berdedikasi untuk menjembatani dunia fisik dan digital untuk memungkinkan inovasi terobosan di tepi cerdas. ADI memberikan solusi yang menggabungkan teknologi analog, digital, dan perangkat lunak untuk mempromosikan pengembangan berkelanjutan pabrik digital, mobil, dan perawatan medis digital, mengatasi tantangan perubahan iklim, dan membangun interkoneksi yang andal antara manusia dan segala sesuatu di dunia. Pendapatan ADI tahun fiskal 2022 melebihi US$12 miliar, dengan lebih dari 24,000 karyawan di seluruh dunia. Bersama dengan 125,000 pelanggan di seluruh dunia, ADI membantu para inovator untuk terus melampaui apa yang mungkin. Untuk informasi selengkapnya, kunjungi www.analog.com/cn.
tentang Penulis
Doug Mercer lulus dari Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) pada tahun 1977 dengan gelar BSEE. Sejak bergabung dengan Analog Devices pada tahun 1977, beliau secara langsung atau tidak langsung telah berkontribusi pada lebih dari 30 produk konverter data dan memegang 13 hak paten. Dia dinobatkan sebagai ADI Fellow pada tahun 1995. Pada tahun 2009, dia beralih dari pekerjaan penuh waktu dan terus melayani sebagai konsultan ADI sebagai peneliti emeritus, menulis untuk Active Learning Initiative. Pada tahun 2016, beliau diangkat sebagai Engineer-in-Residence Departemen ECSE RPI. Hubungi: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus saat ini adalah Insinyur Aplikasi Sistem di Perangkat Analog, mengerjakan proyek pengajaran ADI dan mengembangkan perangkat lunak tersemat untuk Sirkuit dari Lab®, otomatisasi QA, dan manajemen proses. Dia bergabung dengan Perangkat Analog pada Februari 2017 di Cluj-Napoca, Rumania. Dia saat ini adalah seorang mahasiswa MSc dalam program MSc Rekayasa Perangkat Lunak di Universitas Babes Bowyer dan memegang gelar BSc di bidang Teknik Elektronika dan Telekomunikasi dari Universitas Teknik Cluj-Napoca. Hubungi: antoniu.miclaus@analog.com.
Lihat lebih banyak: modul IGBT | Layar LCD | Komponen Elektronik