"L'obiettivo di questa attività di laboratorio è studiare un raddrizzatore attivo circuito. Nello specifico, un circuito raddrizzatore attivo integra un amplificatore operazionale, un canale P a bassa soglia mosfete un circuito di feedback per sintetizzare una valvola di corrente unidirezionale o un raddrizzatore con un forward inferiore voltaggio caduta rispetto a un diodo a giunzione PN convenzionale.
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Di Doug Mercer, ricercatore di consulenza e Antoniu Miclaus, ingegnere delle applicazioni di sistema
Target
L'obiettivo di questa attività di laboratorio è studiare un circuito raddrizzatore attivo. Nello specifico, un circuito raddrizzatore attivo integra un amplificatore operazionale, un canale P a soglia bassa MOSFETe un circuito di feedback per sintetizzare una valvola o raddrizzatore di corrente unidirezionale con una caduta di tensione diretta inferiore rispetto a un diodo a giunzione PN convenzionale.
conoscenze di base
Quando un alimentatore utilizza diodi tradizionali per rettificare la tensione CA per ottenere la tensione CC, alcune parti intrinsecamente inefficienti devono essere rettificate. Un diodo standard o un diodo ultraveloce può avere una tensione diretta di 1 V o più alla corrente nominale. Questa caduta di tensione diretta del diodo è in serie con la sorgente CA, il che riduce la potenziale tensione di uscita CC. Inoltre, il prodotto di questa caduta di tensione e della corrente erogata attraverso il diodo significa che la dissipazione di potenza e la generazione di calore possono essere considerevoli.
La tensione diretta inferiore dei diodi Schottky è un miglioramento rispetto ai diodi standard. Tuttavia, i diodi Schottky hanno anche una tensione diretta fissa incorporata. È possibile ottenere efficienze più elevate commutando attivamente il dispositivo MOSFET in modo sincrono con la forma d'onda CA in ingresso per emulare un diodo, sfruttando le minori perdite di conduzione del FET. Il raddrizzamento attivo, spesso indicato come raddrizzamento sincrono, comporta la commutazione del dispositivo FET nel punto appropriato della forma d'onda CA in base alla polarità, quindi agisce come un raddrizzatore, conducendo la corrente solo nella direzione desiderata.
Diversamente dal caso dei diodi a giunzione, le perdite di conduzione di un FET dipendono dalla resistenza nello stato On (RDS (ON)) e corrente. Scegli una R bassaDS (ON)Un FET sufficientemente grande riduce la caduta di tensione diretta a una frazione di ciò che qualsiasi diodo può ottenere. Pertanto, i raddrizzatori sincroni avranno perdite molto inferiori rispetto ai diodi, contribuendo a migliorare l'efficienza complessiva.
La progettazione del circuito è più complessa rispetto ai raddrizzatori a diodi perché i segnali di gate utilizzati per commutare i FET devono essere sincronizzati. Questa complessità è spesso più facile da gestire rispetto alla complessità aggiuntiva di dover rimuovere il calore generato dai diodi. Con requisiti di efficienza sempre crescenti, in molti casi non c'è scelta migliore che utilizzare la rettifica sincrona.
Materiali
• ADALM2000 Apprendimento attivo Moduli
• Breadboard senza saldatura
• maglione
• Un amplificatore operazionale CMOS AD8541 con ingresso/uscita rail-to-rail-to-rail
• Un PMOS ZVP2110A Transistor (o equivalente)
• A 4.7 µF condensatore
• Un condensatore da 220 µF
• A 10Ω Resistore
• Una resistenza da 2.2 kΩ
• Una resistenza da 47 kΩ
• Una resistenza da 1 kΩ
illustrare
Costruisci il semplice circuito raddrizzatore a semionda mostrato nella Figura 1 sulla breadboard. Il circuito di pilotaggio del gate attivo utilizza un amplificatore operazionale (AD8541) per rilevare quando la forma d'onda di ingresso CA dall'uscita AWG è superiore alla tensione di uscita Vsu(in direzione positiva), che a sua volta accende il PMOS Transistor M1. Questo circuito fornisce un raddrizzamento attivo per tensioni CA basse come la tensione di alimentazione minima di un amplificatore operazionale (2.7 V per AD8541) o la tensione di soglia del gate di un dispositivo PMOS (1.5 V tipico per ZVP2110A). A tensioni di ingresso inferiori, subentra il diodo back gate to drain del MOSFET, che agisce come un normale raddrizzatore a diodi.
Figura 1. Raddrizzatore a semionda attivo che utilizza un amplificatore operazionale autoalimentato
Figura 2. Raddrizzatore a semionda attivo che utilizza un circuito breadboard con amplificatore operazionale autoalimentato
Quando VINmaggiore di vsul'amplificatore operazionale accenderà il transistor PMOS, con la seguente formula:
dove (tensione riferita a terra):
VGATEè la tensione al gate di M1.
VINPer tensione di ingresso CA.
Vsuper C1 e RLtensione di uscita a .
Le tensioni di ingresso e di uscita possono essere correlate alla tensione drain-source PMOS VDSe tensione gate-source VGSCollegati tra loro, la formula è la seguente:
La combinazione di queste equazioni fornisce il gate drive MOSFET in funzione della tensione drain-source:
Se il valore di R2 è 21 volte quello di R1 (1 MΩ/47 kΩ), la tensione drain-source di M1 VDSUna caduta di 75 mV è sufficiente per accendere un transistor PMOS con una tensione di soglia di C1.5 V. Il rapporto tra R2 e R1 può essere maggiore per ridurre la caduta di tensione da ingresso a uscita o per supportare transistor con tensioni di soglia più elevate .
L'amplificatore operazionale è alimentato dal condensatore di livellamento dell'uscita C1, quindi non è necessaria alcuna alimentazione aggiuntiva. Ci sono determinati requisiti per l'amplificatore operazionale scelto per questo circuito. L'amplificatore deve disporre di ingressi e uscite rail-to-rail senza inversione di fase del guadagno quando opera in prossimità dei rail di alimentazione. La larghezza di banda dell'amplificatore operazionale limita la risposta in frequenza del circuito. Gli amplificatori operazionali a bassa corrente di alimentazione vengono spesso scelti per questa applicazione per migliorare l'efficienza, quindi la larghezza di banda e le velocità di variazione sono in genere inferiori. A frequenze di ingresso CA più elevate (probabilmente superiori a 500 Hz), il guadagno dell'amplificatore inizierà a diminuire. L'amplificatore operazionale CMOS ad alimentazione singola AD8541 soddisfa tutti questi requisiti con una corrente di alimentazione di soli 45 µA.
impostazioni hardware
Le connessioni della breadboard per un raddrizzatore a semionda attivo che utilizza un amplificatore operazionale autoalimentato sono mostrate nella Figura 2.
fasi del programma
AWG1 è collegato a VIN, deve essere configurato come un'onda sinusoidale con un'ampiezza maggiore di 6 V picco-picco, zero offset e una frequenza di 100 Hz. L'ingresso dell'oscilloscopio viene utilizzato per monitorare vari punti intorno al circuito, come VINVsuRStensione ai capi e attraverso RSe corrente di gate M1.
Inizia con un condensatore più grande di 220 µF per C1. Sia il 220 µF che il 4.7 µF Condensatori sono polarizzati, quindi assicurati di collegare correttamente le estremità positive e negative al circuito.
Utilizzare i due ingressi dell'oscilloscopio per monitorare VINall'ingresso della forma d'onda AC e VsuLa forma d'onda dell'uscita CC a . vsudovrebbe essere molto vicino a VINPicco. Ora sostituisci il condensatore di massa da 220 µF con un condensatore da 4.7 µF molto più piccolo. osserva vsuLa forma d'onda cambia a. Quando vsuvalore più vicino a VINl'intervallo del ciclo di ingresso AC viene confrontato con la tensione di gate del transistore M1.
Figura 3. Utilizzo di un condensatore da 220 µF per Vsue VIN Schema della copia
Figura 4. V Utilizzo di un condensatore da 4.7 µFsue VIN Schema della copia
Il canale 2 dell'oscilloscopio è collegato allo shunt (cioè resistenza da 10 Ω RS), utilizzare la funzione di misura per ottenere i valori di picco e medi della corrente. Collegare il valore medio con un resistore di carico da 2.2 kΩ RLrispetto al valore DC di VsuCalcolato dalla tensione misurata. Ripetere questa misurazione per i valori del condensatore da 220 µF e 4.7 µF.
Altri usi di questo circuito
Un circuito che consente alla corrente di fluire solo in una direzione con una caduta di tensione molto bassa attraverso l'interruttore ha altri potenziali usi. In un caricabatterie, dove la potenza in ingresso può essere intermittente (come un pannello solare o un generatore eolico), è necessario impedire che la batteria si scarichi quando la potenza in ingresso non produce una tensione sufficientemente elevata per caricare la batteria. A tale scopo vengono generalmente utilizzati semplici diodi Schottky, ma come notato nella sezione sullo sfondo, ciò comporta una perdita di efficienza. L'utilizzo di un amplificatore operazionale con una corrente di alimentazione operativa sufficientemente bassa può spesso essere inferiore alla corrente di dispersione inversa di un grande diodo Schottky.
domanda:
Puoi nominare alcune applicazioni pratiche dei raddrizzatori attivi? Puoi trovare le risposte sul forum Student Zone.
Informazioni sui dispositivi analogici
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) è leader mondiale semiconduttore azienda dedicata a collegare il mondo fisico e quello digitale per consentire innovazioni rivoluzionarie all'edge intelligente. ADI fornisce soluzioni che combinano tecnologie analogiche, digitali e software per promuovere il continuo sviluppo di fabbriche digitali, automobili e cure mediche digitali, affrontare le sfide del cambiamento climatico e stabilire un'interconnessione affidabile tra le persone e tutto nel mondo. Il fatturato di ADI per l'anno fiscale 2022 supera i 12 miliardi di dollari, con oltre 24,000 dipendenti in tutto il mondo. Insieme a 125,000 clienti in tutto il mondo, ADI aiuta gli innovatori a continuare a superare ciò che è possibile. Per ulteriori informazioni, visitare www.analog.com/cn.
Circa l'autore
Doug Mercer si è laureato al Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) nel 1977 con un BSEE. Da quando è entrato in Analog Devices nel 1977, ha contribuito direttamente o indirettamente a più di 30 prodotti di conversione dati e detiene 13 brevetti. È stato nominato ADI Fellow nel 1995. Nel 2009 è passato dal lavoro a tempo pieno e continua a servire come consulente ADI come ricercatore emerito, scrivendo per l'Active Learning Initiative. Nel 2016 è stato nominato Engineer-in-Residence del Dipartimento RPI ECSE. Contatto: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus è attualmente un ingegnere delle applicazioni di sistema presso Analog Devices, lavorando su progetti di insegnamento ADI e sviluppando software integrato per Circuits from the Lab®, automazione QA e gestione dei processi. È entrato in Analog Devices nel febbraio 2017 a Cluj-Napoca, in Romania. Attualmente è uno studente di Master nel programma di Master in Ingegneria del Software presso la Babes Bowyer University e ha conseguito una laurea in Ingegneria elettronica e delle telecomunicazioni presso l'Università tecnica di Cluj-Napoca. Contatto: antoniu.miclaus@analog.com.
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