"이 실습 활동의 목표는 활성 정류기를 조사하는 것입니다. 회로. 특히 능동 정류기 회로는 연산 증폭기, 낮은 임계값 P 채널을 통합합니다. 이끼, 낮은 순방향으로 단방향 전류 밸브 또는 정류기를 합성하는 피드백 루프 전압 기존의 PN 접합 다이오드보다 떨어집니다.
"
작성자: Doug Mercer(컨설팅 연구원) 및 Antoniu Miclaus(시스템 애플리케이션 엔지니어)
목표
이 실습 활동의 목표는 능동 정류기 회로를 조사하는 것입니다. 특히 능동 정류기 회로에는 연산 증폭기, 낮은 임계값 P 채널이 통합되어 있습니다. MOSFET및 기존 PN 접합 다이오드보다 순방향 전압 강하가 낮은 단방향 전류 밸브 또는 정류기를 합성하기 위한 피드백 루프가 있습니다.
배경 지식
전원 공급 장치가 기존 다이오드를 사용하여 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 얻는 경우 본질적으로 비효율적인 일부 부품을 정류해야 합니다. 표준 다이오드 또는 초고속 다이오드는 정격 전류에서 1V 이상의 순방향 전압을 가질 수 있습니다. 다이오드의 이 순방향 전압 강하는 AC 소스와 직렬로 연결되어 잠재적인 DC 출력 전압을 감소시킵니다. 또한 이 전압 강하와 다이오드를 통해 전달되는 전류의 곱은 전력 손실과 발열이 상당할 수 있음을 의미합니다.
쇼트키 다이오드의 더 낮은 순방향 전압은 표준 다이오드보다 개선된 것입니다. 그러나 쇼트키 다이오드에도 고정 순방향 전압이 내장되어 있습니다. 다이오드를 에뮬레이트하기 위해 입력 AC 파형과 동기식으로 MOSFET 장치를 능동적으로 전환하여 FET의 낮은 전도 손실을 활용하여 더 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 종종 동기식 정류라고도 하는 능동 정류는 극성에 따라 AC 파형의 적절한 지점에서 FET 장치를 전환하는 것과 관련되므로 원하는 방향으로만 전류를 전도하는 정류기 역할을 합니다.
접합 다이오드의 경우와 달리 FET의 전도 손실은 온 저항(RDS (켜짐)) 및 현재. 낮은 R 선택DS (켜짐)충분히 큰 FET는 순방향 전압 강하를 모든 다이오드가 달성할 수 있는 것의 일부로 줄입니다. 따라서 동기식 정류기는 다이오드보다 손실이 훨씬 낮아 전체 효율을 개선하는 데 도움이 됩니다.
FET를 전환하는 데 사용되는 게이트 신호가 동기화되어야 하기 때문에 회로 설계는 다이오드 기반 정류기보다 더 복잡합니다. 이러한 복잡성은 다이오드에서 생성된 열을 제거해야 하는 추가 복잡성보다 처리하기 쉬운 경우가 많습니다. 효율성 요구 사항이 계속 증가함에 따라 많은 경우 동기식 정류를 사용하는 것보다 더 좋은 선택은 없습니다.
자재
• ADALM2000 능동 학습 모듈
• 무납땜 브레드보드
• 점퍼
• rail-to-rail-to-rail 입력/출력이 있는 AD8541 CMOS 연산 증폭기 XNUMX개
• ZVP2110A PMOS XNUMX개 트랜지스터 (또는 이와 동등한)
• 4.7μF 콘덴서
• 220µF 커패시터
• 10Ω 저항기
• 2.2kΩ 저항기
• 47kΩ 저항기
• 1kΩ 저항기
설명하다
브레드보드에 그림 1에 표시된 간단한 반파 정류기 회로를 구축합니다. 능동 게이트 드라이브 회로는 연산 증폭기(AD8541)를 사용하여 AWG 출력의 AC 입력 파형이 출력 전압 V 이상일 때를 감지합니다.아웃(양의 방향으로) PMOS를 켭니다. 트랜지스터 엠1. 이 회로는 연산 증폭기의 최소 공급 전압(AD2.7의 경우 8541V) 또는 PMOS 장치의 게이트 임계값 전압(ZVP1.5A의 경우 일반적으로 2110V)만큼 낮은 AC 전압에 능동 정류를 제공합니다. 낮은 입력 전압에서 MOSFET의 백 게이트-드레인 다이오드가 인계되어 일반 다이오드 정류기 역할을 합니다.
그림 1. 자체 전원 연산 증폭기를 사용하는 능동 반파 정류기
그림 2. 자체 전원 연산 증폭기 브레드보드 회로를 사용하는 능동 반파 정류기
때 VINV보다 큼아웃연산 증폭기는 다음 공식을 사용하여 PMOS 트랜지스터를 켭니다.
여기서 (접지 기준 전압):
VGATEM1 게이트의 전압입니다.
VINAC 입력 전압의 경우.
V아웃C1 및 R의 경우L에서 출력 전압.
입력 및 출력 전압은 PMOS 드레인-소스 전압 V와 관련될 수 있습니다.DS및 게이트-소스 전압 VGS함께 연결하면 공식은 다음과 같습니다.
이러한 방정식을 결합하면 MOSFET 게이트 드라이브가 드레인-소스 전압의 함수로 제공됩니다.
R2의 값이 R21의 1배(1 MΩ/47 kΩ)이면 M1 V의 드레인-소스 전압DS임계 전압이 C75V인 PMOS 트랜지스터를 켜려면 1.5mV 드롭이면 충분합니다. 입력-출력 전압 강하를 줄이거 나 임계 전압이 더 높은 트랜지스터를 지원하기 위해 R2 대 R1의 비율이 더 클 수 있습니다. .
연산 증폭기는 출력 평활 커패시터 C1에 의해 전원이 공급되므로 추가 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다. 이 회로에 대해 선택한 연산 증폭기에 대한 특정 요구 사항이 있습니다. 증폭기는 공급 레일 근처에서 작동할 때 이득-위상 반전 없이 레일 투 레일 입력 및 출력을 가져야 합니다. 연산 증폭기의 대역폭은 회로의 주파수 응답을 제한합니다. 낮은 공급 전류 연산 증폭기는 효율성을 개선하기 위해 이 애플리케이션에 종종 선택되므로 대역폭과 슬루율은 일반적으로 더 낮습니다. 더 높은 AC 입력 주파수(아마도 500Hz 이상)에서 증폭기의 게인이 떨어지기 시작합니다. AD8541 단일 공급 CMOS 연산 증폭기는 45µA의 낮은 공급 전류로 이러한 모든 요구 사항을 충족합니다.
하드웨어 설정
자체 전원 연산 증폭기를 사용하는 능동 반파 정류기의 브레드보드 연결은 그림 2에 나와 있습니다.
프로그램 단계
AWG1은 V에 연결됩니다.IN, 진폭이 6V 피크 대 피크, 제로 오프셋, 주파수 100Hz보다 큰 사인파로 구성되어야 합니다. 오실로스코프 입력은 V와 같은 회로 주변의 다양한 지점을 모니터링하는 데 사용됩니다.INV아웃RSR을 통한 전압S및 M1 게이트 전류.
C220에 대해 1µF의 더 큰 커패시터로 시작하십시오. 220µF 및 4.7µF 모두 커패시터 극성이 있으므로 양극과 음극을 회로에 올바르게 연결하십시오.
XNUMX개의 오실로스코프 입력을 사용하여 V 모니터링IN입력 AC 파형 및 V아웃DC 출력 파형은 . V아웃V에 매우 가까워야 합니다.IN정점. 이제 벌크 220µF 커패시터를 훨씬 더 작은 4.7µF 커패시터로 교체하십시오. V를 관찰하다아웃파형은 에서 변경됩니다. 때 V아웃V에 가장 가까운 값INAC 입력 사이클의 간격은 트랜지스터 M1의 게이트 전압과 비교된다.
그림 3. V에 220µF 커패시터 사용아웃및 VIN 스코피 다이어그램
그림 4. 4.7µF 커패시터를 사용하는 V아웃및 VIN 스코피 다이어그램
오실로스코프 채널 2는 션트에 연결됩니다(예: 10Ω 저항기 RS) 측정 기능을 사용하여 전류의 피크 및 평균 값을 얻습니다. 평균값을 2.2kΩ 부하 저항 R과 연결LV의 DC 값과 비교아웃측정된 전압에서 계산됩니다. 220µF 및 4.7µF 커패시터 값에 대해 이 측정을 반복합니다.
이 회로의 다른 용도
스위치에서 매우 낮은 전압 강하로 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 회로는 다른 용도로 사용할 수 있습니다. 입력 전원이 간헐적일 수 있는 배터리 충전기(예: 태양광 패널 또는 풍력 터빈 발전기)에서는 입력 전원이 배터리를 충전할 만큼 충분히 높은 전압을 생성하지 않을 때 배터리가 방전되지 않도록 해야 합니다. 단순 쇼트키 다이오드는 일반적으로 이러한 목적으로 사용되지만 배경 섹션에서 언급한 바와 같이 효율성 손실을 초래합니다. 작동 공급 전류가 충분히 낮은 연산 증폭기를 사용하면 종종 대형 쇼트키 다이오드의 역 누설 전류보다 낮을 수 있습니다.
질문 :
능동 정류기의 실제 응용 분야에 대해 말씀해 주시겠습니까? Student Zone 포럼에서 답을 찾을 수 있습니다.
아나로그디바이스 소개
Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)는 세계 최고의 반도체 인텔리전트 에지에서 획기적인 혁신을 가능하게 하기 위해 물리적 세계와 디지털 세계를 연결하는 데 전념하는 회사입니다. ADI는 아날로그, 디지털 및 소프트웨어 기술을 결합한 솔루션을 제공하여 디지털 공장, 자동차 및 디지털 의료 서비스의 지속적인 개발을 촉진하고 기후 변화 문제를 해결하며 사람과 전 세계 모든 것 사이의 안정적인 상호 연결을 구축합니다. ADI의 2022 회계연도 매출은 전 세계적으로 12명 이상의 직원과 함께 24,000억 달러를 초과합니다. 전 세계 125,000명의 고객과 함께 ADI는 혁신가가 계속해서 가능한 것을 능가하도록 돕습니다. 자세한 내용은 www.analog.com/cn을 참조하십시오.
저자에 대해
Doug Mercer는 BSEE로 1977년 Rensselaer Polytechnic Institute(RPI)를 졸업했습니다. 1977년 Analog Devices에 입사한 이후 그는 30개 이상의 데이터 컨버터 제품에 직간접적으로 기여했으며 13개의 특허를 보유하고 있습니다. 그는 1995년에 ADI 펠로우로 지명되었습니다. 2009년에 정규직에서 전환한 그는 명예 연구원으로서 ADI의 컨설턴트로 활동하면서 Active Learning Initiative에 글을 쓰고 있습니다. 2016년에 그는 RPI ECSE 부서의 상주 엔지니어로 임명되었습니다. 연락처: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus는 현재 Analog Devices의 시스템 애플리케이션 엔지니어로 ADI 교육 프로젝트에 참여하고 있으며 Circuits from the Lab®, QA 자동화 및 프로세스 관리를 위한 임베디드 소프트웨어를 개발하고 있습니다. 그는 2017년 XNUMX월 루마니아 클루지나포카에서 Analog Devices에 합류했습니다. 그는 현재 Babes Bowyer University의 소프트웨어 엔지니어링 석사 프로그램에서 석사 과정을 밟고 있으며 Cluj-Napoca Technical University에서 전자 통신 공학 학사 학위를 받았습니다. 연락처: antoniu.miclaus@analog.com.