Целью этого лабораторного занятия является исследование активного выпрямителя. схема. В частности, схема активного выпрямителя включает в себя операционный усилитель, низкопороговый P-канал MOSFET, и контур обратной связи для синтеза однонаправленного токового клапана или выпрямителя с более низким прямым напряжение падение, чем у обычного диода с PN-переходом.
Дуг Мерсер, исследователь-консультант, и Антониу Миклаус, инженер по системным приложениям
цель
Целью данной лабораторной работы является исследование схемы активного выпрямителя. В частности, схема активного выпрямителя включает в себя операционный усилитель, низкопороговый P-канал. МОП-транзистори контур обратной связи для синтеза вентиля или выпрямителя однонаправленного тока с меньшим падением напряжения в прямом направлении, чем у обычного диода с PN-переходом.
фоновых знаний
Когда в источнике питания используются традиционные диоды для выпрямления переменного напряжения для получения постоянного напряжения, необходимо выпрямить некоторые изначально неэффективные детали. Стандартный диод или сверхбыстрый диод может иметь прямое напряжение 1 В или более при номинальном токе. Это прямое падение напряжения на диоде включено последовательно с источником переменного тока, что снижает потенциальное выходное напряжение постоянного тока. Кроме того, произведение этого падения напряжения на ток, проходящий через диод, означает, что рассеиваемая мощность и тепловыделение могут быть значительными.
Более низкое прямое напряжение диодов Шоттки является улучшением по сравнению со стандартными диодами. Однако диоды Шоттки также имеют встроенное фиксированное прямое напряжение. Более высокая эффективность может быть достигнута за счет активного переключения устройства MOSFET синхронно с формой входного сигнала переменного тока, чтобы эмулировать диод, используя более низкие потери проводимости FET. Активное выпрямление, часто называемое синхронным выпрямлением, включает в себя переключение полевого транзистора в соответствующей точке формы волны переменного тока в зависимости от полярности, поэтому он действует как выпрямитель, проводя ток только в нужном направлении.
В отличие от переходных диодов, потери проводимости полевого транзистора зависят от сопротивления в открытом состоянии (RDS (ВКЛ)) и текущий. Выберите низкий RDS (ВКЛ)Достаточно большой полевой транзистор уменьшает прямое падение напряжения до доли того, что может достичь любой диод. Следовательно, синхронные выпрямители будут иметь гораздо меньшие потери, чем диоды, что поможет повысить общий КПД.
Конструкция схемы более сложна, чем для выпрямителей на основе диодов, потому что сигналы затвора, используемые для переключения полевых транзисторов, должны быть синхронизированы. С этой сложностью часто легче справиться, чем с дополнительной сложностью, связанной с необходимостью отвода тепла, выделяемого диодами. При постоянно растущих требованиях к эффективности во многих случаях нет лучшего выбора, чем синхронное выпрямление.
Материалы
• ADALM2000 Активное обучение Модули
• Беспаечная макетная плата
• джемпер
• Один операционный усилитель AD8541 CMOS с входом/выходом rail-to-rail-to-rail
• Один ZVP2110A PMOS Транзистор (или эквивалент)
• 4.7 мкФ конденсатор
• Конденсатор 220 мкФ
• А 10 Ом резистор
• Резистор 2.2 кОм
• Резистор 47 кОм
• Резистор 1 кОм
иллюстрировать
Соберите на макетной плате простую схему однополупериодного выпрямителя, показанную на рисунке 1. Схема управления активным затвором использует операционный усилитель (AD8541) для обнаружения, когда форма входного сигнала переменного тока с выхода AWG превышает выходное напряжение V.внешний(в положительном направлении), что, в свою очередь, включает PMOS Транзистор М1. Эта схема обеспечивает активное выпрямление при таких низких напряжениях переменного тока, как минимальное напряжение питания операционного усилителя (2.7 В для AD8541) или пороговое напряжение затвора PMOS-устройства (типичное значение 1.5 В для ZVP2110A). При более низких входных напряжениях задний затвор полевого МОП-транзистора берет на себя диод стока, действуя как обычный диодный выпрямитель.
Рис. 1. Активный однополупериодный выпрямитель на операционном усилителе с автономным питанием
Рис. 2. Активный полуволновой выпрямитель на макетной плате операционного усилителя с автономным питанием
Когда VINбольше, чем Vвнешнийоперационный усилитель включит транзистор PMOS по следующей формуле:
где (напряжение относительно земли):
VGATEнапряжение на затворе M1.
VINДля входного напряжения переменного тока.
Vвнешнийдля C1 и RLвыходное напряжение при .
Входное и выходное напряжения могут быть связаны с напряжением сток-исток PMOS VDSи напряжение затвор-исток VGSСвязанные вместе, формула выглядит следующим образом:
Объединение этих уравнений дает управление затвором MOSFET в зависимости от напряжения сток-исток:
Если значение R2 в 21 раз превышает значение R1 (1 МОм/47 кОм), напряжение сток-исток M1 ВDSПадение на 75 мВ достаточно для включения PMOS-транзистора с пороговым напряжением C1.5 В. Отношение R2 к R1 может быть больше, чтобы уменьшить падение напряжения на входе и выходе или для поддержки транзисторов с более высокими пороговыми напряжениями. .
ОУ питается от выходного сглаживающего конденсатора С1, поэтому дополнительного источника питания не требуется. К ОУ, выбранному для этой схемы, предъявляются определенные требования. Усилитель должен иметь входы и выходы rail-to-rail без инверсии фазы усиления при работе вблизи шин питания. Полоса пропускания операционного усилителя ограничивает частотную характеристику схемы. Для этого приложения часто выбирают операционные усилители с низким током питания, чтобы повысить эффективность, поэтому полоса пропускания и скорость нарастания обычно ниже. При более высоких входных частотах переменного тока (вероятно, выше 500 Гц) коэффициент усиления усилителя начнет падать. КМОП-операционный усилитель AD8541 с однополярным питанием удовлетворяет всем этим требованиям благодаря току питания всего 45 мкА.
настройки оборудования
Соединения макетной платы для активного однополупериодного выпрямителя с использованием операционного усилителя с автономным питанием показаны на рисунке 2.
шаги программы
AWG1 подключен к VIN, должен быть сконфигурирован как синусоида с амплитудой более 6 В от пика до пика, нулевым смещением и частотой 100 Гц. Вход осциллографа используется для контроля различных точек схемы, таких как VINVвнешнийRSнапряжение на и через RSи ток затвора M1.
Начните с большего конденсатора 220 мкФ для C1. Оба 220 мкФ и 4.7 мкФ Конденсаторы поляризованы, поэтому убедитесь, что положительный и отрицательный концы правильно подключены к цепи.
Используйте два входа осциллографа для контроля VINна входном сигнале переменного тока и VвнешнийФорма выходного сигнала постоянного тока при . Ввнешнийдолжно быть очень близко к VINВершина горы. Теперь замените объемный конденсатор емкостью 220 мкФ на гораздо меньший конденсатор емкостью 4.7 мкФ. наблюдать VвнешнийФорма волны изменяется в. Когда Ввнешнийзначение, ближайшее к VINинтервал входного цикла переменного тока сравнивается с напряжением затвора транзистора М1.
Рис. 3. Использование конденсатора 220 мкФ для Vвнешнийи VIN Диаграмма обзора
Рис. 4. V с использованием конденсатора 4.7 мкФвнешнийи VIN Диаграмма обзора
Канал 2 осциллографа подключен к шунту (т.е. резистор 10 Ом RS), используйте функцию измерения для получения пиковых и средних значений тока. Соедините среднее значение с нагрузочным резистором R 2.2 кОм.Lпо сравнению со значением постоянного тока VвнешнийРассчитывается по измеренному напряжению. Повторите это измерение для значений конденсатора 220 мкФ и 4.7 мкФ.
Другое использование этой схемы
Цепь, которая позволяет току течь только в одном направлении с очень низким падением напряжения на переключателе, имеет и другие потенциальные применения. В зарядном устройстве, где входная мощность может быть прерывистой (например, солнечная панель или генератор ветряной турбины), необходимо предотвратить разрядку батареи, когда входная мощность не создает достаточно высокого напряжения для зарядки батареи. Для этой цели обычно используются простые диоды Шоттки, но, как отмечалось в разделе «Основные сведения», это приводит к потере эффективности. Использование операционного усилителя с достаточно низким рабочим током питания часто может быть ниже обратного тока утечки большого диода Шоттки.
вопрос:
Можете ли вы назвать несколько практических применений активных выпрямителей? Вы можете найти ответы на форуме Student Zone.
Об аналоговых устройствах
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) — мировой лидер полупроводник компания, стремящаяся соединить физический и цифровой миры, чтобы обеспечить прорывные инновации на интеллектуальных границах. ADI предлагает решения, сочетающие аналоговые, цифровые и программные технологии, чтобы способствовать непрерывному развитию цифровых заводов, автомобилей и цифровой медицины, решать проблемы изменения климата и устанавливать надежную взаимосвязь между людьми и всем в мире. Выручка ADI в 2022 финансовом году превышает 12 миллиардов долларов США, в ней работает более 24,000 125,000 сотрудников по всему миру. Вместе со XNUMX XNUMX клиентов по всему миру ADI помогает новаторам продолжать превосходить все возможное. Для получения дополнительной информации посетите сайт www.analog.com/cn.
об авторе
Дуг Мерсер окончил Политехнический институт Ренсселера (RPI) в 1977 году со степенью BSEE. С момента прихода в Analog Devices в 1977 году он прямо или косвенно участвовал в создании более 30 преобразователей данных и имеет 13 патентов. В 1995 году он был назначен научным сотрудником ADI. В 2009 году он ушел с работы на полную ставку и продолжает работать консультантом ADI в качестве заслуженного исследователя, пишу для инициативы Active Learning Initiative. В 2016 году назначен инженером-резидентом отдела ИРПИ ECSE. Контакт: doug.mercer@analog.com.
Антониу Миклаус в настоящее время является инженером по системным приложениям в Analog Devices, работает над учебными проектами ADI и разрабатывает встроенное программное обеспечение для Circuits from the Lab®, автоматизации контроля качества и управления процессами. Он присоединился к Analog Devices в феврале 2017 года в Клуж-Напоке, Румыния. В настоящее время он является студентом магистратуры по программе магистратуры по программной инженерии в Университете Бэйбса Бойера и имеет степень бакалавра в области электроники и телекоммуникаций Технического университета Клуж-Напока. Контакт: antoniu.miclaus@analog.com.
Посмотреть больше: Модули IGBT | ЖК-дисплеи | Электронные компоненты