「このラボ アクティビティの目標は、アクティブな整流器を調査することです。 回路。 具体的には、アクティブ整流回路には、オペアンプ、低閾値 P チャネルが統合されています。 モスフェット、および一方向電流バルブまたは整流器を低順方向に合成するためのフィードバック ループ 電圧 従来のPN接合ダイオードよりも降下量が大きくなります。
「
コンサルティング研究員 Doug Mercer およびシステム アプリケーション エンジニア Antoniu Miclaus 著
ターゲット
このラボ活動の目標は、アクティブ整流回路を調査することです。 具体的には、アクティブ整流回路には、オペアンプ、低閾値 P チャネルが統合されています。 MOSFET、および従来の PN 接合ダイオードよりも低い順方向電圧降下を備えた一方向電流バルブまたは整流器を合成するためのフィードバック ループ。
予備知識
電源が従来のダイオードを使用して AC 電圧を整流して DC 電圧を得る場合、本質的に非効率な部品を整流する必要があります。 標準ダイオードまたは超高速ダイオードは、定格電流で 1 V 以上の順電圧を持つ場合があります。 このダイオードの順方向電圧降下は AC 電源と直列になり、潜在的な DC 出力電圧が低下します。 また、この電圧降下とダイオードを介して供給される電流の積により、電力損失と発熱がかなり大きくなる可能性があります。
ショットキー ダイオードの順方向電圧は標準的なダイオードよりも低くなります。 ただし、ショットキー ダイオードには固定順方向電圧も組み込まれています。 FET の低い導通損失を利用して、入力 AC 波形と同期して MOSFET デバイスをアクティブにスイッチングしてダイオードをエミュレートすることにより、より高い効率を達成できます。 同期整流とも呼ばれるアクティブ整流では、極性に基づいて AC 波形の適切な点で FET デバイスをスイッチングするため、整流器として機能し、電流を必要な方向にのみ伝導します。
接合ダイオードの場合とは異なり、FET の導通損失はオン抵抗 (RDS（ON））と現在。 低いRを選択してくださいDS（ON）十分な大きさの FET は、順方向電圧降下をダイオードが達成できる電圧の数分の一に低減します。 したがって、同期整流器はダイオードよりも損失がはるかに低く、全体の効率の向上に役立ちます。
FETのスイッチングに使用されるゲート信号を同期させる必要があるため、回路設計はダイオードベースの整流器よりも複雑になります。 この複雑さは、多くの場合、ダイオードによって発生する熱を除去する必要があるという追加の複雑さよりも簡単に処理できます。 効率の要件がますます高まっているため、多くの場合、同期整流を使用する以外に良い選択肢はありません。
材料
• ADALM2000 アクティブ ラーニング モジュール
• はんだ不要ブレッドボード
• ジャンパー
• レールツーレールツーレール入出力を備えた AD8541 CMOS オペアンプ XNUMX 台
• ZVP2110A PMOS XNUMX 個 トランジスタ （または同等のもの）
• 4.7μF コンデンサ
• 220 µF コンデンサ
・10Ω 抵抗
• 2.2kΩの抵抗器
• 47kΩの抵抗器
• 1kΩの抵抗器
説明します
図 1 に示す単純な半波整流回路をブレッドボード上に構築します。 アクティブ ゲート駆動回路は、オペアンプ (AD8541) を使用して、AWG 出力からの AC 入力波形が出力電圧 V を超えたときを検出します。でる(正方向)、これにより PMOS がオンになります。 トランジスタ M1. この回路は、オペアンプの最小電源電圧（AD2.7の場合は8541 V）またはPMOSデバイスのゲートしきい値電圧（ZVP1.5Aの場合は標準2110 V）と同程度の低いAC電圧に対してアクティブ整流を行います。 入力電圧が低い場合、MOSFET のバックゲートからドレインへのダイオードが引き継ぎ、通常のダイオード整流器として機能します。
図 1. 自己電源型オペアンプを使用したアクティブ半波整流器
図 2. 自己電源型オペアンプのブレッドボード回路を使用したアクティブ半波整流器
ときVINVより大きいでるオペアンプは次の式で PMOS トランジスタをオンにします。
ここで (グランドを基準とした電圧):
VGATEは M1 のゲートの電圧です。
VINAC入力電圧用。
VでるC1とRの場合Lでの出力電圧。
入力電圧と出力電圧は、PMOS のドレイン-ソース電圧 V に関連付けることができます。DSおよびゲート・ソース間電圧 VGS結合すると、式は次のようになります。
これらの方程式を組み合わせると、ドレイン-ソース電圧の関数として MOSFET のゲート駆動が得られます。
R2の値がR21の1倍(1MΩ/47kΩ)の場合、M1のドレイン・ソース間電圧はVになります。DS両端の75mVの降下は、しきい値電圧がC1.5VのPMOSトランジスタをオンにするのに十分です。入力から出力への電圧降下を低減したり、しきい値電圧がより高いトランジスタをサポートするには、R2とR1の比を大きくすることができます。 。
オペアンプは出力平滑コンデンサ C1 によって電力供給されるため、追加の電源は必要ありません。 この回路に選択されるオペアンプには特定の要件があります。 アンプは、電源レールの近くで動作する場合、ゲイン位相反転のないレールツーレールの入出力を備えている必要があります。 オペアンプの帯域幅により、回路の周波数応答が制限されます。 このアプリケーションでは、効率を向上させるために低供給電流のオペアンプが選択されることが多いため、帯域幅とスルーレートは通常より低くなります。 AC 入力周波数が高くなると (おそらく 500 Hz より高く)、アンプのゲインは低下し始めます。 AD8541 単電源 CMOS オペアンプは、45 µA という低い消費電流でこれらの要件をすべて満たします。
ハードウェア設定
自己電源型オペアンプを使用したアクティブ半波整流器のブレッドボード接続を図 2 に示します。
プログラムステップ
AWG1はVに接続されていますIN、振幅がピークツーピーク 6 V より大きく、オフセットがゼロ、周波数が 100 Hz の正弦波として構成する必要があります。 オシロスコープの入力は、V などの回路周囲のさまざまなポイントを監視するために使用されます。INVでるRSRの両端およびRを通る電圧SとM1ゲート電流。
C220 には 1 µF のより大きなコンデンサから始めます。 220μFと4.7μFの両方 コンデンサ 極性があるため、プラスとマイナスの端を回路に正しく接続してください。
XNUMX つのオシロスコープ入力を使用して V を監視しますIN入力AC波形とVでるのDC出力波形。 VでるV に非常に近いはずですINピーク。 ここで、バルク 220 µF コンデンサをはるかに小さな 4.7 µF コンデンサに置き換えます。 Vを観察するでるで波形が変化します。 VのときでるV に最も近い値INAC入力サイクルの間隔は、トランジスタM1のゲート電圧と比較されます。
図 3. V に 220 µF のコンデンサを使用するでるとVIN スコピー図
図 4. 4.7 µF コンデンサを使用した場合の VでるとVIN スコピー図
オシロスコープのチャンネル 2 はシャント (つまり、10 Ω の抵抗 R) に接続されています。S)、測定機能を使用して電流のピーク値と平均値を取得します。 平均値を2.2kΩの負荷抵抗Rに接続します。LVのDC値との比較でる測定された電圧から計算されます。 220 µF および 4.7 µF のコンデンサ値についてこの測定を繰り返します。
この回路のその他の用途
スイッチ両端の電圧降下が非常に低く、電流を一方向にのみ流すことができる回路には、別の用途がある可能性があります。 入力電力が断続的になる可能性があるバッテリー充電器 (ソーラー パネルや風力タービン発電機など) では、入力電力がバッテリーを充電するのに十分な高い電圧を生成しないときにバッテリーが放電するのを防ぐ必要があります。 通常、この目的には単純なショットキー ダイオードが使用されますが、背景セクションで述べたように、これにより効率が低下します。 十分に低い動作供給電流のオペアンプを使用すると、多くの場合、大きなショットキー ダイオードの逆漏れ電流よりも低くなります。
質問：
アクティブ整流器の実用的な用途をいくつか挙げていただけますか? Student Zone フォーラムで答えを見つけることができます。
アナログ・デバイセズについて
アナログ・デバイセズ社 (NASDAQ: ADI) は世界有数の 半導体 物理世界とデジタル世界の橋渡しをして、インテリジェント エッジで画期的なイノベーションを実現することに専念している会社です。 アナログ・デバイセズは、アナログ、デジタル、ソフトウェア技術を組み合わせたソリューションを提供して、デジタル工場、自動車、デジタル医療の継続的開発を促進し、気候変動の課題に対処し、世界中の人とあらゆるものの間に信頼性の高い相互接続を確立します。 ADI の 2022 会計年度の収益は 12 億米ドルを超え、世界中で 24,000 人以上の従業員を抱えています。 アナログ・デバイセズは、世界中の 125,000 の顧客と協力して、イノベーターが可能性を超え続けることを支援します。 詳細については、www.analog.com/cn をご覧ください。
著者について
Doug Mercer は、1977 年にレンセラー工科大学 (RPI) を BSEE で卒業しました。 1977 年にアナログ・デバイセズに入社して以来、30 を超えるデータ・コンバータ製品に直接的または間接的に貢献し、13 件の特許を取得しています。 彼は 1995 年に ADI フェローに任命されました。2009 年にフルタイム雇用から移行し、名誉研究者として ADI のコンサルタントを務め続け、アクティブ ラーニング イニシアチブに寄稿しています。 2016 年に、RPI ECSE 部門の常駐エンジニアに任命されました。 連絡先: doug.mercer@analog.com。
Antoniu Miclaus は現在、アナログ・デバイセズのシステム アプリケーション エンジニアで、ADI の教育プロジェクトに取り組み、Circuits from the Lab®、QA 自動化、およびプロセス管理用の組み込みソフトウェアを開発しています。 彼は、2017 年 XNUMX 月にルーマニアのクルージ ナポカで Analog Devices に入社しました。 彼は現在、Babes Bowyer University のソフトウェア エンジニアリング修士課程プログラムの修士課程の学生であり、クルージ ナポカ工科大学で電子電気通信工学の学士号を取得しています。 連絡先: antoniu.miclaus@analog.com。