"המטרה של פעילות מעבדה זו היא לחקור מיישר פעיל מעגל. באופן ספציפי, מעגל מיישר פעיל משלב מגבר תפעולי, ערוץ P בעל סף נמוך MOSFET, ולולאת משוב לסינתזה של שסתום זרם חד כיווני או מיישר עם קדמי נמוך יותר מתח טיפה מאשר דיודת צומת PN קונבנציונלית.
"
מאת דאג מרסר, חוקר יועץ ואנטוניו מיקלאוס, מהנדס יישומי מערכות
יעד
המטרה של פעילות מעבדה זו היא לחקור מעגל מיישר פעיל. באופן ספציפי, מעגל מיישר פעיל משלב מגבר תפעולי, ערוץ P בעל סף נמוך MOSFET, ולולאת משוב לסינתזה של שסתום זרם חד-כיווני או מיישר עם ירידת מתח קדימה נמוכה יותר מדיודת צומת PN קונבנציונלית.
ידע כללי
כאשר ספק כוח משתמש בדיודות מסורתיות כדי לתקן מתח AC כדי להשיג מתח DC, יש לתקן חלקים לא יעילים מטבעם. דיודה רגילה או דיודה מהירה במיוחד עשויה להיות בעלת מתח קדימה של 1 V או יותר בזרם נקוב. ירידת מתח קדימה זו של הדיודה נמצאת בסדרה עם מקור AC, מה שמפחית את מתח המוצא הפוטנציאלי של DC. כמו כן, התוצר של ירידת מתח זו והזרם המועבר דרך הדיודה פירושו כי פיזור הספק ויצירת חום יכולים להיות ניכרים.
המתח הקדמי הנמוך יותר של דיודות שוטקי הוא שיפור לעומת דיודות סטנדרטיות. עם זאת, לדיודות שוטקי יש גם מתח קדימה קבוע מובנה. ניתן להשיג יעילות גבוהה יותר על ידי החלפה אקטיבית של התקן ה-MOSFET באופן סינכרוני עם צורת גל ה-AC המבוא כדי לחקות דיודה, תוך ניצול הפסדי ההולכה הנמוכים יותר של ה-FET. יישור אקטיבי, המכונה לעתים קרובות יישור סינכרוני, כולל החלפת התקן ה-FET בנקודה המתאימה בצורת גל AC על סמך קוטביות, כך שהוא פועל כמיישר, ומוליך זרם רק בכיוון הרצוי.
בניגוד למקרה של דיודות צומת, הפסדי ההולכה של FET תלויים בהתנגדות ההפעלה (RDS (ON)) ושוטף. בחר R נמוךDS (ON)FET גדול מספיק מפחית את ירידת המתח קדימה לשבריר ממה שכל דיודה יכולה להשיג. לכן, למיישרים סינכרוניים יהיו הפסדים נמוכים בהרבה מאשר דיודות, מה שיעזור לשפר את היעילות הכוללת.
תכנון המעגל מורכב יותר מאשר עבור מיישרים מבוססי דיודה מכיוון שאותות השער המשמשים למתג ה-FET חייבים להיות מסונכרנים. לרוב קל יותר לטפל במורכבות זו מאשר המורכבות הנוספת של הצורך להסיר את החום שנוצר מהדיודות. עם דרישות יעילות הולכות וגדלות, במקרים רבים אין ברירה טובה יותר מאשר שימוש בתיקון סינכרוני.
חוֹמֶר
• ADALM2000 למידה פעילה מודול
• לוח לחם ללא הלחמה
• מגשר
• מגבר תפעולי אחד AD8541 CMOS עם כניסת/יציאה ממסילה אל מסילה אל מסילה
• ZVP2110A PMOS אחד טרנזיסטור (או שווה ערך)
• A 4.7 µF קבל
• קבל 220 µF
• A 10 Ω נַגָד
• נגד 2.2 kΩ
• נגד 47 kΩ
• נגד 1 kΩ
להמחיש
בנו את מעגל מיישר חצי הגל הפשוט שמוצג באיור 1 על לוח הלחם. מעגל כונן השער הפעיל משתמש במגבר תפעולי (AD8541) כדי לזהות מתי צורת גל הכניסה AC ממוצא AWG היא מעל מתח המוצא Vהַחוּצָה(בכיוון החיובי), אשר בתורו מדליק את ה-PMOS טרנזיסטור M1. מעגל זה מספק תיקון פעיל עבור מתחי AC הנמוכים כמו מתח האספקה המינימלי של מגבר הפעלה (2.7 וולט עבור AD8541) או מתח סף השער של התקן PMOS (1.5 וולט אופייני ל-ZVP2110A). במתחי כניסה נמוכים יותר, דיודת השער האחורי לניקוז של ה-MOSFET משתלט, ופועל כמיישר דיודה רגיל.
איור 1. מיישר חצי גל פעיל באמצעות מגבר הפעלה עצמי
איור 2. מיישר חצי גל פעיל באמצעות מעגל הפעלה עצמית של מגבר הפעלה
כאשר VINגדול מ-Vהַחוּצָהמגבר ההפעלה יפעיל את הטרנזיסטור PMOS, עם הנוסחה הבאה:
איפה (מתח בהתייחס לאדמה):
Vשערהוא המתח בשער של M1.
VINעבור מתח כניסה AC.
Vהַחוּצָהעבור C1 ו-RLמתח מוצא ב .
מתחי הכניסה והמוצא יכולים להיות קשורים למתח מקור הניקוז PMOS VDSומתח מקור השער VGSבחיבור זה לזה, הנוסחה היא כדלקמן:
שילוב המשוואות הללו נותן את כונן השער MOSFET כפונקציה של מתח מקור הניקוז:
אם הערך של R2 הוא פי 21 מזה של R1 (1 MΩ/47 kΩ), מתח מקור הניקוז של M1 VDSנפילה של 75 mV לרוחב מספיקה כדי להפעיל טרנזיסטור PMOS עם מתח סף של C1.5 V. היחס בין R2 ל-R1 יכול להיות גדול יותר כדי להפחית את מפל המתח מכניסה ליציאה או כדי לתמוך בטרנזיסטורים עם מתחי סף גבוהים יותר .
מגבר ההפעלה מופעל על ידי קבל החלקת פלט C1, כך שאין צורך באספקת חשמל נוספת. ישנן דרישות מסוימות למגבר ההפעלה שנבחר עבור מעגל זה. המגבר חייב להיות בעל כניסות ויציאות ממסילה אל מסילה ללא היפוך פאזה מוגברת כאשר הוא פועל בסמוך למסילות האספקה. רוחב הפס של מגבר ההפעלה מגביל את תגובת התדר של המעגל. מגברי הפעלה של זרם אספקה נמוך נבחרים לעתים קרובות עבור יישום זה כדי לשפר את היעילות, כך שרוחב הפס וקצבי ההזזה נמוכים בדרך כלל. בתדרי כניסה AC גבוהים יותר (כנראה גבוהים מ-500 הרץ), ההגבר של המגבר יתחיל לרדת. מגבר ההפעלה CMOS עם הספק יחיד AD8541 עונה על כל הדרישות הללו עם זרם אספקה נמוך של 45 µA.
הגדרות החומרה
חיבורי לוח הלחם עבור מיישר חצי גל פעיל המשתמש במגבר הפעלה עצמי מוצגים באיור 2.
שלבי התוכנית
AWG1 מחובר ל-VIN, יש להגדיר כגל סינוס עם משרעת גדולה מ-6 V שיא לשיא, אפס היסט ותדר של 100 הרץ. כניסת האוסילוסקופ משמשת לניטור נקודות שונות סביב המעגל, כגון VINVהַחוּצָהRSמתח לרוחב ודרך RSוזרם שער M1.
התחל עם קבל גדול יותר של 220 µF עבור C1. גם ה-220 µF וגם 4.7 µF קבלים מקוטבים, אז הקפידו לחבר את הקצוות החיוביים והשליליים בצורה נכונה למעגל.
השתמש בשתי כניסות האוסילוסקופ כדי לנטר את VINבצורת גל כניסת AC ו-Vהַחוּצָהצורת הגל של פלט DC ב-. Vהַחוּצָהצריך להיות קרוב מאוד ל-VINשִׂיא. כעת החלף את הקבל בתפזורת של 220 µF עם קבל קטן בהרבה של 4.7 µF. שים לב Vהַחוּצָהצורת הגל משתנה בשעה. כאשר Vהַחוּצָההערך הקרוב ביותר ל-VINמרווח מחזור הכניסה AC מושווה למתח השער של טרנזיסטור M1.
איור 3. שימוש בקבל 220 µF עבור Vהַחוּצָהו- VIN תרשים סקופי
איור 4. V באמצעות קבל 4.7 µFהַחוּצָהו- VIN תרשים סקופי
ערוץ 2 של אוסילוסקופ מחובר ב-shunt (כלומר נגד R 10 ΩS), השתמש בתכונת המדידה כדי לקבל את ערכי השיא והממוצע של הזרם. חבר את הערך הממוצע עם נגד עומס R של 2.2 kΩLבהשוואה לערך DC של Vהַחוּצָהמחושב מהמתח הנמדד. חזור על מדידה זו עבור ערכי הקבלים של 220 µF ו-4.7 µF.
שימושים נוספים במעגל זה
למעגל המאפשר לזרם רק בכיוון אחד עם ירידת מתח נמוכה מאוד על פני המתג יש שימושים פוטנציאליים אחרים. במטען סוללות, שבו הספק המבוא עשוי להיות לסירוגין (כגון פאנל סולארי או מחולל טורבינות רוח), יש צורך למנוע מהסוללה להתרוקן כאשר הספק המבוא אינו מייצר מתח גבוה מספיק כדי לטעון את הסוללה. דיודות שוטקי פשוטות משמשות בדרך כלל למטרה זו, אך כפי שצוין בסעיף הרקע, הדבר גורם לאובדן יעילות. שימוש במגבר הפעלה עם זרם אספקת הפעלה נמוך מספיק יכול לעתים קרובות להיות נמוך יותר מזרם הדליפה ההפוכה של דיודת שוטקי גדולה.
שאלה:
האם תוכל למנות כמה יישומים מעשיים של מיישרים פעילים? תוכל למצוא תשובות בפורום Student Zone.
על מכשירים אנלוגיים
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) היא המובילה בעולם סמיקונדקטור חברה המוקדשת לגשר בין העולם הפיזי והדיגיטלי כדי לאפשר חידושים פורצי דרך בקצה החכם. ADI מספקת פתרונות המשלבים טכנולוגיות אנלוגיות, דיגיטליות ותוכנה כדי לקדם את הפיתוח המתמשך של מפעלים דיגיטליים, רכבים וטיפול רפואי דיגיטלי, להתמודד עם אתגרי שינויי האקלים וליצור קשר אמין בין אנשים לכל דבר בעולם. הכנסות שנת הכספים 2022 של ADI עולות על 12 מיליארד דולר, עם יותר מ-24,000 עובדים ברחבי העולם. יחד עם 125,000 לקוחות ברחבי העולם, ADI עוזרת לחדשנים להמשיך לחרוג מהאפשרי. למידע נוסף, בקר בכתובת www.analog.com/cn.
על הסופר
דאג מרסר סיים את לימודיו ב-Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) בשנת 1977 עם BSEE. מאז שהצטרף ל-Analog Devices ב-1977, הוא תרם במישרין או בעקיפין ליותר מ-30 מוצרי ממירי נתונים ומחזיק ב-13 פטנטים. הוא מונה לעמית ADI בשנת 1995. בשנת 2009, הוא עבר מעבודה במשרה מלאה וממשיך לשמש כיועץ ל-ADI כחוקר אמריטוס, כותב עבור יוזמת הלמידה הפעילה. בשנת 2016, הוא מונה כמהנדס-in-Residence של מחלקת RPI ECSE. ליצירת קשר: doug.mercer@analog.com.
אנטוניו מיקלאוס הוא כיום מהנדס יישומי מערכת ב-Analog Devices, עובד על פרויקטי הוראת ADI ומפתח תוכנה משובצת עבור Circuits from the Lab®, אוטומציה של QA וניהול תהליכים. הוא הצטרף ל- Analog Devices בפברואר 2017 בקלוז'-נאפוקה, רומניה. כיום הוא סטודנט לתואר שני בתוכנית MSc להנדסת תוכנה באוניברסיטת בייבס בוייר ובעל תואר ראשון בהנדסת אלקטרוניקה וטלקומוניקציה מהאוניברסיטה הטכנית של קלוז'-נאפוקה. ליצירת קשר: antoniu.miclaus@analog.com.
ראה עוד : מודולי IGBT | LCD מציג | רכיבים אלקטרוניים