"Het doel van deze labactiviteit is het onderzoeken van een actieve gelijkrichter circuit. Concreet integreert een actieve gelijkrichterschakeling een operationele versterker, een laagdrempelig P-kanaal mosfet, en een feedbacklus om een unidirectionele stroomklep of gelijkrichter te synthetiseren met een lagere voorwaartse stroom spanning daling dan een conventionele PN-verbindingsdiode.
"
Door Doug Mercer, adviserend onderzoeker en Antoniu Miclaus, systeemapplicatie-ingenieur
doelwit
Het doel van deze laboratoriumactiviteit is het onderzoeken van een actief gelijkrichtcircuit. Concreet integreert een actief gelijkrichtcircuit een operationele versterker, een laagdrempelig P-kanaal MOSFETen een feedbacklus om een unidirectionele stroomklep of gelijkrichter te synthetiseren met een lagere voorwaartse spanningsval dan een conventionele PN-junctiediode.
achtergrond kennis
Wanneer een voeding traditionele diodes gebruikt om wisselspanning te corrigeren om gelijkspanning te verkrijgen, moeten sommige inherent inefficiënte onderdelen worden gelijkgericht. Een standaarddiode of een ultrasnelle diode kan een doorlaatspanning hebben van 1 V of meer bij nominale stroom. Deze voorwaartse spanningsval van de diode staat in serie met de AC-bron, waardoor de potentiële DC-uitgangsspanning wordt verminderd. Het product van deze spanningsval en de stroom die door de diode wordt geleverd, betekent ook dat vermogensdissipatie en warmteontwikkeling aanzienlijk kunnen zijn.
De lagere doorlaatspanning van Schottky-diodes is een verbetering ten opzichte van standaarddiodes. Schottky-diodes hebben echter ook een ingebouwde vaste voorwaartse spanning. Hogere efficiënties kunnen worden bereikt door het MOSFET-apparaat actief synchroon te schakelen met de AC-ingangsgolfvorm om een diode na te bootsen, waarbij wordt geprofiteerd van de lagere geleidingsverliezen van de FET. Actieve rectificatie, vaak synchrone rectificatie genoemd, omvat het schakelen van het FET-apparaat op het juiste punt in de AC-golfvorm op basis van polariteit, zodat het werkt als een gelijkrichter en stroom alleen in de gewenste richting geleidt.
In tegenstelling tot junctiediodes zijn de geleidingsverliezen van een FET afhankelijk van de aan-weerstand (RDS (AAN)) en stroom. Kies lage RDS (AAN)Een voldoende grote FET vermindert de doorlaatspanningsval tot een fractie van wat elke diode kan bereiken. Daarom zullen synchrone gelijkrichters veel lagere verliezen hebben dan diodes, waardoor de algehele efficiëntie wordt verbeterd.
Het circuitontwerp is complexer dan bij op diodes gebaseerde gelijkrichters, omdat de poortsignalen die worden gebruikt om de FET's te schakelen, moeten worden gesynchroniseerd. Deze complexiteit is vaak gemakkelijker te hanteren dan de extra complexiteit van het moeten verwijderen van de door de diodes gegenereerde warmte. Met steeds hogere efficiëntie-eisen is er in veel gevallen geen betere keuze dan gebruik te maken van synchrone rectificatie.
Materiaal
• ADALM2000 Actief leren Module
• Soldeerloze breadboard
• trui
• Eén AD8541 CMOS operationele versterker met rail-to-rail-to-rail input/output
• Eén ZVP2110A PMOS Transistor (of gelijkwaardig)
• Een 4.7 µF condensator
• Een condensator van 220 µF
• Een 10 Ω Weerstand
• Een weerstand van 2.2 kΩ
• Een weerstand van 47 kΩ
• Een weerstand van 1 kΩ
illustreren
Bouw het eenvoudige halfgolfgelijkrichtercircuit dat wordt weergegeven in figuur 1 op het breadboard. Het active gate-stuurcircuit gebruikt een operationele versterker (AD8541) om te detecteren wanneer de AC-ingangsgolfvorm van de AWG-uitgang hoger is dan de uitgangsspanning Vuit(in de positieve richting), die op zijn beurt de PMOS aanzet Transistor M1. Dit circuit biedt actieve gelijkrichting voor wisselspanningen zo laag als de minimale voedingsspanning van een opamp (2.7 V voor de AD8541) of de poortdrempelspanning van een PMOS-apparaat (1.5 V typisch voor de ZVP2110A). Bij lagere ingangsspanningen neemt de backgate-to-drain-diode van de MOSFET het over en fungeert als een normale diodegelijkrichter.
Afbeelding 1. Actieve halfgolfgelijkrichter met behulp van een zelfaangedreven opamp
Afbeelding 2. Actieve halfgolfgelijkrichter met behulp van een self-powered opamp breadboard-circuit
Toen VINgroter dan Vuitde opamp zal de PMOS-transistor inschakelen, met de volgende formule:
waar (spanning gerefereerd aan aarde):
VGATEis de spanning aan de poort van M1.
VINVoor AC ingangsspanning.
Vuitvoor C1 en RLuitgangsspanning bij .
De ingangs- en uitgangsspanningen kunnen worden gerelateerd aan de PMOS-afvoer-bronspanning VDSen gate-source spanning VGSAan elkaar gekoppeld is de formule als volgt:
Door deze vergelijkingen te combineren, ontstaat de MOSFET-poortaandrijving als functie van de afvoer-bronspanning:
Als de waarde van R2 21 keer die van R1 is (1 MΩ/47 kΩ), is de drain-source spanning van M1 VDSEen spanningsval van 75 mV is voldoende om een PMOS-transistor met een drempelspanning van C1.5 V in te schakelen. De verhouding tussen R2 en R1 kan groter zijn om de spanningsval tussen ingang en uitgang te verminderen of om transistors met hogere drempelspanningen te ondersteunen. .
De opamp wordt gevoed door output smoothing condensator C1, dus er is geen extra voeding nodig. Er zijn bepaalde vereisten voor de gekozen opamp voor dit circuit. De versterker moet rail-to-rail-ingangen en -uitgangen hebben zonder versterkingsfase-inversie bij gebruik in de buurt van de voedingsrails. De bandbreedte van de opamp beperkt de frequentierespons van het circuit. Voor deze toepassing worden vaak opamps met een lage voedingsstroom gekozen om de efficiëntie te verbeteren, dus de bandbreedte en slew rates zijn doorgaans lager. Bij hogere AC-ingangsfrequenties (waarschijnlijk hoger dan 500 Hz) zal de versterking van de versterker beginnen af te nemen. De AD8541 single-supply CMOS-opamp voldoet aan al deze vereisten met een voedingsstroom van slechts 45 µA.
hardware-instellingen
De breadboard-aansluitingen voor een actieve halfgolfgelijkrichter met behulp van een zelfaangedreven opamp worden getoond in figuur 2.
programma stappen
AWG1 is verbonden met VIN, moet worden geconfigureerd als een sinusgolf met een amplitude van meer dan 6 V piek-tot-piek, geen offset en een frequentie van 100 Hz. De oscilloscoopingang wordt gebruikt om verschillende punten rond het circuit te bewaken, zoals VINVuitRSspanning over en door RSen M1 poortstroom.
Begin met een grotere condensator van 220 µF voor C1. Zowel de 220 µF als de 4.7 µF Condensatoren zijn gepolariseerd, dus zorg ervoor dat u de positieve en negatieve uiteinden correct op het circuit aansluit.
Gebruik de twee oscilloscoopingangen om V te bewakenINbij de input AC-golfvorm en VuitDe golfvorm van de DC-uitgang bij . Vuitzou heel dicht bij V moeten zijnINHoogtepunt. Vervang nu de bulkcondensator van 220 µF door een veel kleinere condensator van 4.7 µF. observeer VuitDe golfvorm verandert bij. Wanneer Vuitwaarde die het dichtst bij V ligtINhet interval van de AC-ingangscyclus wordt vergeleken met de poortspanning van transistor M1.
Afbeelding 3. Een condensator van 220 µF gebruiken voor Vuiten VIN Scopy-diagram
Afbeelding 4. V met behulp van een condensator van 4.7 µFuiten VIN Scopy-diagram
Oscilloscoop kanaal 2 is aangesloten op de shunt (d.w.z. 10 Ω weerstand RS), gebruik de meetfunctie om de piek- en gemiddelde waarden van de stroom te verkrijgen. Verbind de gemiddelde waarde met een belastingsweerstand R van 2.2 kΩLvergeleken met de DC-waarde van VuitBerekend op basis van de gemeten spanning. Herhaal deze meting voor de 220 µF en 4.7 µF condensatorwaarden.
Andere toepassingen van dit circuit
Een circuit dat alleen stroom in één richting laat stromen met een zeer lage spanningsval over de schakelaar, heeft andere mogelijke toepassingen. In een batterijlader, waar het ingangsvermogen onderbroken kan zijn (zoals een zonnepaneel of windturbinegenerator), moet worden voorkomen dat de batterij ontlaadt wanneer het ingangsvermogen niet voldoende spanning produceert om de batterij op te laden. Meestal worden hiervoor eenvoudige Schottky-diodes gebruikt, maar zoals opgemerkt in de achtergrondsectie leidt dit tot een verlies aan efficiëntie. Het gebruik van een opamp met een voldoende lage bedrijfsvoedingsstroom kan vaak lager zijn dan de omgekeerde lekstroom van een grote Schottky-diode.
vraag:
Kun je enkele praktische toepassingen van actieve gelijkrichters noemen? Antwoorden vind je op het Student Zone forum.
Over analoge apparaten
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) is de wereldleider halfgeleider bedrijf dat zich toelegt op het overbruggen van de fysieke en digitale wereld om baanbrekende innovaties aan de intelligente rand mogelijk te maken. ADI biedt oplossingen die analoge, digitale en softwaretechnologieën combineren om de continue ontwikkeling van digitale fabrieken, auto's en digitale medische zorg te bevorderen, de uitdagingen van klimaatverandering aan te gaan en een betrouwbare verbinding tot stand te brengen tussen mensen en alles in de wereld. ADI's omzet in het fiscale jaar 2022 bedraagt meer dan 12 miljard dollar, met meer dan 24,000 werknemers wereldwijd. Samen met 125,000 klanten over de hele wereld helpt ADI innovators om het mogelijke te blijven overtreffen. Ga voor meer informatie naar www.analog.com/cn.
Over de auteur
Doug Mercer studeerde in 1977 af aan het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) met een BSEE. Sinds hij in 1977 bij Analog Devices kwam, heeft hij direct of indirect bijgedragen aan meer dan 30 dataconverterproducten en bezit hij 13 patenten. Hij werd in 1995 benoemd tot ADI Fellow. In 2009 maakte hij de overstap van een voltijdbaan en blijft hij als adviseur voor ADI dienen als emeritus onderzoeker, schrijvend voor het Active Learning Initiative. In 2016 werd hij aangesteld als Ingenieur-in-Residence van de afdeling ECSE van RPI. Contactpersoon: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus is momenteel een System Applications Engineer bij Analog Devices, waar hij werkt aan ADI-onderwijsprojecten en embedded software ontwikkelt voor Circuits from the Lab®, QA-automatisering en procesbeheer. Hij trad in februari 2017 in dienst bij Analog Devices in Cluj-Napoca, Roemenië. Hij is momenteel een MSc-student in het MSc-programma Software Engineering aan de Babes Bowyer University en heeft een BSc in Electronics and Telecommunications Engineering van de Technische Universiteit van Cluj-Napoca. Contactpersoon: antoniu.miclaus@analog.com.
Bekijk meer : IGBT-modules | LCD-schermen | Elektronische Componenten