"O objetivo desta atividade de laboratório é investigar um retificador ativo o circuito. Especificamente, um circuito retificador ativo integra um amplificador operacional, um canal P de baixo limiar mosfet, e um loop de realimentação para sintetizar uma válvula de corrente unidirecional ou retificador com um avanço inferior Voltagem queda do que um diodo de junção PN convencional.
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Por Doug Mercer, Pesquisador Consultor e Antoniu Miclaus, Engenheiro de Aplicações de Sistemas
Target
O objetivo desta atividade de laboratório é investigar um circuito retificador ativo. Especificamente, um circuito retificador ativo integra um amplificador operacional, um canal P de baixo limiar MOSFET, e um circuito de feedback para sintetizar uma válvula de corrente unidirecional ou retificador com uma queda de tensão direta mais baixa do que um diodo de junção PN convencional.
conhecimento de fundo
Quando uma fonte de alimentação usa diodos tradicionais para retificar a tensão CA para obter a tensão CC, algumas partes inerentemente ineficientes devem ser retificadas. Um diodo padrão ou um diodo ultrarrápido pode ter uma tensão direta de 1 V ou mais na corrente nominal. Essa queda de tensão direta do diodo está em série com a fonte CA, o que reduz o potencial de tensão de saída CC. Além disso, o produto desta queda de tensão e a corrente fornecida através do diodo significa que a dissipação de energia e a geração de calor podem ser consideráveis.
A tensão direta mais baixa dos diodos Schottky é uma melhoria em relação aos diodos padrão. No entanto, os diodos Schottky também possuem uma tensão direta fixa embutida. Eficiências mais altas podem ser alcançadas comutando ativamente o dispositivo MOSFET em sincronia com a forma de onda CA de entrada para emular um diodo, aproveitando as perdas de condução mais baixas do FET. A retificação ativa, geralmente chamada de retificação síncrona, envolve a comutação do dispositivo FET no ponto apropriado na forma de onda CA com base na polaridade, de modo que ele atue como um retificador, conduzindo a corrente apenas na direção desejada.
Ao contrário do caso dos diodos de junção, as perdas de condução de um FET dependem da resistência (RDS (ON)) e atual. Escolha R baixoDS (ON)Um FET suficientemente grande reduz a queda de tensão direta a uma fração do que qualquer diodo pode alcançar. Portanto, os retificadores síncronos terão perdas muito menores do que os diodos, ajudando a melhorar a eficiência geral.
O projeto do circuito é mais complexo do que para retificadores baseados em diodo porque os sinais de porta usados para chavear os FETs devem ser sincronizados. Essa complexidade costuma ser mais fácil de lidar do que a complexidade adicional de ter que remover o calor gerado pelos diodos. Com requisitos de eficiência cada vez maiores, em muitos casos não há escolha melhor do que usar a retificação síncrona.
Material
• Aprendizagem Ativa ADALM2000 Módulo
• Placa de ensaio sem solda
• saltador
• Um amplificador operacional AD8541 CMOS com entrada/saída rail-to-rail-to-rail
• Um PMOS ZVP2110A Transistor (ou equivalente)
• 4.7 µF capacitor
• Um capacitor de 220 µF
• 10Ω Resistor
• Um resistor de 2.2 kΩ
• Um resistor de 47 kΩ
• Um resistor de 1 kΩ
ilustrar
Construa o circuito retificador simples de meia onda mostrado na Figura 1 na protoboard. O circuito de acionamento de portão ativo usa um amplificador operacional (AD8541) para detectar quando a forma de onda de entrada CA da saída AWG está acima da tensão de saída VFora(no sentido positivo), que por sua vez liga o PMOS Transistor M1. Este circuito fornece retificação ativa para tensões CA tão baixas quanto a tensão de alimentação mínima de um amplificador operacional (2.7 V para o AD8541) ou a tensão de limite de porta de um dispositivo PMOS (1.5 V típico para o ZVP2110A). Em tensões de entrada mais baixas, o portão traseiro do MOSFET para drenar o diodo assume, agindo como um retificador de diodo normal.
Figura 1. Retificador ativo de meia onda usando um amplificador operacional autoalimentado
Figura 2. Retificador de meia-onda ativo usando um circuito de placa de ensaio com amplificador operacional autoalimentado
Quando VINmaior que VForao amplificador operacional ligará o transistor PMOS, com a seguinte fórmula:
onde (tensão referenciada ao terra):
VPORTÃOé a tensão na porta de M1.
VINPara tensão de entrada CA.
VForapara C1 e RLtensão de saída em .
As tensões de entrada e saída podem ser relacionadas à tensão dreno-fonte PMOS VDSe tensão porta-fonte VGSLigados entre si, a fórmula é a seguinte:
A combinação dessas equações fornece o acionamento do portão MOSFET como uma função da tensão dreno-fonte:
Se o valor de R2 for 21 vezes o de R1 (1 MΩ/47 kΩ), a tensão dreno-fonte de M1 VDSUma queda de 75 mV é suficiente para ligar um transistor PMOS com uma tensão de limite de C1.5 V. A relação de R2 para R1 pode ser maior para reduzir a queda de tensão de entrada para saída ou para suportar transistores com tensões de limite mais altas .
O amplificador operacional é alimentado pelo capacitor de suavização de saída C1, portanto, nenhuma fonte de alimentação adicional é necessária. Existem certos requisitos para o amplificador operacional escolhido para este circuito. O amplificador deve ter entradas e saídas rail-to-rail sem inversão de fase de ganho ao operar perto dos trilhos de alimentação. A largura de banda do amplificador operacional limita a resposta de frequência do circuito. Os amplificadores operacionais de corrente baixa são geralmente escolhidos para esta aplicação para melhorar a eficiência, portanto, a largura de banda e as taxas de variação são normalmente mais baixas. Em frequências de entrada CA mais altas (provavelmente acima de 500 Hz), o ganho do amplificador começará a cair. O amplificador operacional CMOS de alimentação única AD8541 atende a todos esses requisitos com uma corrente de alimentação tão baixa quanto 45 µA.
configurações de hardware
As conexões da breadboard para um retificador ativo de meia onda usando um amplificador operacional autoalimentado são mostradas na Figura 2.
etapas do programa
AWG1 está conectado a VIN, deve ser configurado como uma onda senoidal com amplitude superior a 6 V pico a pico, deslocamento zero e frequência de 100 Hz. A entrada do osciloscópio é usada para monitorar vários pontos ao redor do circuito, como VINVForaRStensão através e através de RSe corrente de porta M1.
Comece com um capacitor maior de 220 µF para C1. Tanto o 220 µF quanto o 4.7 µF capacitores são polarizados, portanto, certifique-se de conectar as extremidades positiva e negativa corretamente ao circuito.
Use as duas entradas do osciloscópio para monitorar VINna forma de onda CA de entrada e VForaA forma de onda de saída DC em . VForadeve estar bem próximo de VINPico. Agora substitua o capacitor bulk de 220 µF por um capacitor muito menor de 4.7 µF. observar VForaA forma de onda muda em. quando VForavalor mais próximo de VINo intervalo do ciclo de entrada CA é comparado com a tensão de porta do transistor M1.
Figura 3. Usando um capacitor de 220 µF para VForae VIN Diagrama de cópia
Figura 4. V usando um capacitor de 4.7 µFForae VIN Diagrama de cópia
O canal 2 do osciloscópio está conectado no shunt (isto é, resistor de 10 Ω RS), use o recurso de medição para obter os valores de pico e médio da corrente. Conecte o valor médio com um resistor de carga de 2.2 kΩ RLem comparação com o valor DC de VForaCalculado a partir da tensão medida. Repita esta medição para os valores do capacitor de 220 µF e 4.7 µF.
Outros usos deste circuito
Um circuito que permite apenas que a corrente flua em uma direção com uma queda de tensão muito baixa no interruptor tem outros usos potenciais. Em um carregador de bateria, onde a energia de entrada pode ser intermitente (como um painel solar ou gerador de turbina eólica), é necessário evitar que a bateria descarregue quando a energia de entrada não produzir uma tensão alta o suficiente para carregar a bateria. Diodos Schottky simples são normalmente usados para essa finalidade, mas, conforme observado na seção de fundo, isso resulta em perda de eficiência. O uso de um amplificador operacional com uma corrente de alimentação operacional suficientemente baixa geralmente pode ser menor do que a corrente de fuga reversa de um grande diodo Schottky.
pergunta:
Você pode citar algumas aplicações práticas de retificadores ativos? Você pode encontrar respostas no fórum Student Zone.
Sobre dispositivos analógicos
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) é líder mundial Semicondutor empresa dedicada a unir os mundos físico e digital para permitir inovações revolucionárias na borda inteligente. A ADI fornece soluções que combinam tecnologias analógicas, digitais e de software para promover o desenvolvimento contínuo de fábricas digitais, automóveis e assistência médica digital, enfrentar os desafios das mudanças climáticas e estabelecer uma interconexão confiável entre as pessoas e tudo no mundo. A receita do ano fiscal de 2022 da ADI ultrapassa US$ 12 bilhões, com mais de 24,000 funcionários em todo o mundo. Juntamente com 125,000 clientes em todo o mundo, a ADI ajuda os inovadores a continuarem a exceder o que é possível. Para obter mais informações, visite www.analog.com/cn.
Sobre o autor
Doug Mercer se formou no Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) em 1977 com um BSEE. Desde que ingressou na Analog Devices em 1977, ele contribuiu direta ou indiretamente para mais de 30 produtos conversores de dados e detém 13 patentes. Ele foi nomeado ADI Fellow em 1995. Em 2009, ele deixou o emprego em tempo integral e continua a servir como consultor da ADI como pesquisador emérito, escrevendo para a Active Learning Initiative. Em 2016, foi nomeado Engenheiro Residente do Departamento RPI ECSE. Contato: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus é atualmente um Engenheiro de Aplicações de Sistema na Analog Devices, trabalhando em projetos de ensino ADI e desenvolvendo software embarcado para Circuits from the Lab®, automação QA e gerenciamento de processos. Ele ingressou na Analog Devices em fevereiro de 2017 em Cluj-Napoca, Romênia. Ele é atualmente um estudante de mestrado no programa de mestrado em Engenharia de Software da Babes Bowyer University e é bacharel em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações pela Universidade Técnica de Cluj-Napoca. Contato: antoniu.miclaus@analog.com.
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