"เป้าหมายของกิจกรรมในห้องปฏิบัติการนี้คือการตรวจสอบวงจรเรียงกระแสที่ใช้งานอยู่ วงจรไฟฟ้า. โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟรวมแอมพลิฟายเออร์สำหรับการทำงาน ซึ่งเป็นช่องสัญญาณ P-threshold ต่ำ MOSFETและวงจรป้อนกลับเพื่อสังเคราะห์วาล์วกระแสทิศทางเดียวหรือวงจรเรียงกระแสโดยให้ไปข้างหน้าต่ำลง แรงดันไฟฟ้า ลดลงกว่าไดโอดชุมทาง PN ทั่วไป
"
โดย Doug Mercer นักวิจัยที่ปรึกษา และ Antoniu Miclaus วิศวกรแอปพลิเคชันระบบ
เป้า
เป้าหมายของกิจกรรมในห้องปฏิบัติการนี้คือการตรวจสอบวงจรเรียงกระแสที่ทำงานอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟจะรวมเอาเครื่องขยายสัญญาณในการดำเนินงาน ซึ่งเป็น P-channel ที่มีเกณฑ์ต่ำ MOSFETและวงจรป้อนกลับเพื่อสังเคราะห์วาล์วหรือวงจรเรียงกระแสกระแสทิศทางเดียวโดยมีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าต่ำกว่าไดโอดจุดเชื่อมต่อ PN ทั่วไป
พื้นความรู้
เมื่อแหล่งจ่ายไฟใช้ไดโอดแบบดั้งเดิมเพื่อแก้ไขแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง จะต้องแก้ไขชิ้นส่วนที่ไม่มีประสิทธิภาพโดยเนื้อแท้ ไดโอดมาตรฐานหรือไดโอดความเร็วสูงอาจมีแรงดันไปข้างหน้า 1 V หรือมากกว่าที่พิกัดกระแส แรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าของไดโอดนี้อยู่ในอนุกรมกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งจะลดแรงดันเอาต์พุตกระแสตรงที่อาจเกิดขึ้น นอกจากนี้ ผลคูณของแรงดันไฟตกและกระแสที่ส่งผ่านไดโอดหมายความว่าการกระจายพลังงานและการสร้างความร้อนอาจมีมาก
แรงดันไปข้างหน้าที่ต่ำกว่าของไดโอด Schottky เป็นการปรับปรุงที่เหนือกว่าไดโอดมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ไดโอด Schottky ก็มีแรงดันไฟไปข้างหน้าคงที่ในตัวเช่นกัน ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยการสลับอุปกรณ์ MOSFET พร้อมกันกับรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับอินพุตเพื่อจำลองไดโอด โดยใช้ประโยชน์จากการสูญเสียการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าของ FET การแก้ไขแบบแอคทีฟ หรือที่มักเรียกกันว่าการแก้ไขแบบซิงโครนัสเกี่ยวข้องกับการสลับอุปกรณ์ FET ที่จุดที่เหมาะสมในรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับตามขั้ว ดังนั้นอุปกรณ์จึงทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแส นำกระแสไปในทิศทางที่ต้องการเท่านั้น
ซึ่งแตกต่างจากกรณีของไดโอดแบบแยก การสูญเสียการนำไฟฟ้าของ FET ขึ้นอยู่กับความต้านทานแบบเปิด (RDS (เปิด)) และปัจจุบัน เลือก R ต่ำDS (เปิด)FET ที่มีขนาดใหญ่เพียงพอจะลดแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้าให้เหลือเพียงเศษเสี้ยวของสิ่งที่ไดโอดใด ๆ สามารถทำได้ ดังนั้นวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสจะมีการสูญเสียน้อยกว่าไดโอดมาก ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม
การออกแบบวงจรมีความซับซ้อนมากกว่าวงจรเรียงกระแสแบบไดโอด เนื่องจากสัญญาณเกทที่ใช้เพื่อสลับ FET จะต้องซิงโครไนซ์ ความซับซ้อนนี้มักจะจัดการได้ง่ายกว่าความซับซ้อนเพิ่มเติมที่ต้องกำจัดความร้อนที่เกิดจากไดโอด ด้วยความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เพิ่มมากขึ้น ในหลายกรณีไม่มีทางเลือกที่ดีไปกว่าการใช้การแก้ไขแบบซิงโครนัส
วัสดุ
• ADALM2000 การเรียนรู้แบบแอคทีฟ โมดูล
• เขียงหั่นขนมแบบไม่มีตะแกรง
• จัมเปอร์
• แอมพลิฟายเออร์สำหรับการทำงาน AD8541 CMOS หนึ่งตัวพร้อมอินพุต/เอาต์พุตแบบ rail-to-rail-to-rail
• ZVP2110A PMOS หนึ่งเครื่อง ทรานซิสเตอร์ (หรือเทียบเท่า)
• 4.7 µF capacitor
• ตัวเก็บประจุ 220 µF
• A 10 โอห์ม ตัวต้านทาน
• ตัวต้านทาน 2.2 kΩ
• ตัวต้านทาน 47 kΩ
• ตัวต้านทาน 1 kΩ
แสดง
สร้างวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นอย่างง่ายที่แสดงในรูปที่ 1 บนเขียงหั่นขนม วงจรไดรฟ์เกตที่ใช้งานอยู่ใช้แอมพลิฟายเออร์สำหรับการทำงาน (AD8541) เพื่อตรวจจับเมื่อรูปคลื่นอินพุต AC จากเอาต์พุต AWG สูงกว่าแรงดันเอาต์พุต Vออก(ในทิศทางบวก) ซึ่งจะเปิด PMOS ทรานซิสเตอร์ ม.1. วงจรนี้ให้การสัตยาบันแบบแอกทีฟสำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ต่ำเท่ากับแรงดันจ่ายขั้นต่ำของออปแอมป์ (2.7 V สำหรับ AD8541) หรือแรงดันเกทธรณีประตูของอุปกรณ์ PMOS (1.5 V ทั่วไปสำหรับ ZVP2110A) ที่แรงดันอินพุตต่ำ แบ็คเกตของ MOSFET ไปยังเดรนไดโอดจะเข้าควบคุม ทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสไดโอดปกติ
รูปที่ 1. วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นที่ใช้งานอยู่โดยใช้ออปแอมป์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง
รูปที่ 2 Active Half-Wave Rectifier โดยใช้วงจร Op Amp Breadboard ที่ใช้พลังงานเอง
เมื่อ VINมากกว่า Vออกออปแอมป์จะเปิดทรานซิสเตอร์ PMOS โดยมีสูตรดังนี้
โดยที่ (แรงดันอ้างอิงถึงกราวด์):
Vประตูคือแรงดันไฟฟ้าที่เกตของ M1
VINสำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า AC
Vออกสำหรับ C1 และ RLแรงดันขาออกที่ .
แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกสามารถเกี่ยวข้องกับแรงดันแหล่งระบายน้ำ PMOS VDSและแรงดันเกต-ซอร์ส VGSเชื่อมโยงกันเป็นสูตรดังนี้
การรวมสมการเหล่านี้ทำให้ไดรฟ์เกท MOSFET เป็นฟังก์ชันของแรงดันเดรน-ซอร์ส:
ถ้าค่าของ R2 เป็น 21 เท่าของ R1 (1 MΩ/47 kΩ) แรงดันแหล่งเดรนของ M1 VDSการตกคร่อม 75 mV เพียงพอที่จะเปิดทรานซิสเตอร์ PMOS ที่มีแรงดันเกณฑ์ที่ C1.5 V อัตราส่วนของ R2 ต่อ R1 สามารถใหญ่ขึ้นเพื่อลดแรงดันตกคร่อมอินพุตต่อเอาต์พุตหรือเพื่อรองรับทรานซิสเตอร์ที่มีแรงดันเกณฑ์สูงกว่า .
ออปแอมป์ใช้พลังงานจากตัวเก็บประจุปรับเอาต์พุตให้เรียบ C1 ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติม มีข้อกำหนดบางประการสำหรับออปแอมป์ที่เลือกสำหรับวงจรนี้ เครื่องขยายเสียงต้องมีอินพุตและเอาต์พุตแบบรางต่อรางโดยไม่มีการผกผันของเฟสขยายเมื่อทำงานใกล้กับรางจ่ายไฟ แบนด์วิธของออปแอมป์จำกัดการตอบสนองความถี่ของวงจร แอ็พพลิเคชันนี้มักเลือกออปแอมป์ที่มีกระแสไฟต่ำเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ดังนั้นแบนด์วิธและอัตราการสโลว์จึงต่ำกว่า ที่ความถี่อินพุต AC ที่สูงขึ้น (อาจสูงกว่า 500 Hz) อัตราขยายของเครื่องขยายเสียงจะเริ่มลดลง AD8541 ออปแอมป์ CMOS แบบจ่ายเดี่ยวตรงตามข้อกำหนดทั้งหมดเหล่านี้ด้วยกระแสไฟจ่ายต่ำถึง 45 µA
การตั้งค่าฮาร์ดแวร์
การเชื่อมต่อเขียงหั่นขนมสำหรับวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นที่แอ็คทีฟโดยใช้ออปแอมป์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองแสดงในรูปที่ 2
ขั้นตอนของโปรแกรม
AWG1 เชื่อมต่อกับ VINควรกำหนดค่าเป็นคลื่นไซน์ที่มีแอมพลิจูดมากกว่า 6 V จากยอดถึงยอด ค่าชดเชยเป็นศูนย์ และความถี่ 100 Hz อินพุตออสซิลโลสโคปใช้เพื่อตรวจสอบจุดต่างๆ รอบวงจร เช่น VINVออกRSแรงดันไฟฟ้าข้ามและผ่าน RSและกระแสเกท M1
เริ่มต้นด้วยตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ขึ้นเป็น 220 µF สำหรับ C1 ทั้ง 220 µF และ 4.7 µF ตัวเก็บประจุ มีขั้ว ดังนั้นต้องแน่ใจว่าได้ต่อปลายขั้วบวกและขั้วลบเข้ากับวงจรอย่างถูกต้อง
ใช้อินพุตออสซิลโลสโคปสองตัวเพื่อตรวจสอบ VINที่รูปคลื่น AC อินพุตและ Vออกรูปคลื่นเอาต์พุต DC ที่ วีออกน่าจะใกล้วีมากINจุดสูงสุด. ตอนนี้เปลี่ยนตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ 220 µF ด้วยตัวเก็บประจุ 4.7 µF ที่เล็กกว่ามาก สังเกต Vออกรูปคลื่นเปลี่ยนที่ เมื่อ Vออกค่าที่ใกล้เคียงกับ V มากที่สุดINช่วงเวลาของรอบอินพุต AC จะถูกเปรียบเทียบกับแรงดันเกตของทรานซิสเตอร์ M1
รูปที่ 3 การใช้ตัวเก็บประจุ 220 µF สำหรับ Vออกและโวลต์IN แผนภาพสโคป
รูปที่ 4 V ใช้ตัวเก็บประจุ 4.7 µFออกและโวลต์IN แผนภาพสโคป
ออสซิลโลสโคปแชนเนล 2 เชื่อมต่อที่การแบ่ง (เช่น ตัวต้านทาน 10 Ω RS) ใช้คุณสมบัติการวัดเพื่อรับค่าสูงสุดและค่าเฉลี่ยของกระแส เชื่อมต่อค่าเฉลี่ยกับตัวต้านทานโหลด 2.2 kΩ RLเทียบกับค่า DC ของ Vออกคำนวณจากแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ ทำซ้ำการวัดนี้สำหรับค่าตัวเก็บประจุ 220 µF และ 4.7 µF
การใช้งานอื่นๆ ของวงจรนี้
วงจรที่อนุญาตให้กระแสไหลในทิศทางเดียวโดยมีแรงดันตกคร่อมสวิตช์ต่ำมากมีประโยชน์อื่นๆ ในเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ ที่กระแสไฟเข้าอาจขาดช่วง (เช่น แผงโซลาร์เซลล์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลม) จำเป็นต้องป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่คายประจุเมื่อกำลังไฟเข้าไม่สร้างแรงดันไฟฟ้าสูงพอที่จะชาร์จแบตเตอรี่ โดยปกติจะใช้ไดโอด Schottky แบบธรรมดาเพื่อจุดประสงค์นี้ แต่ตามที่ระบุไว้ในส่วนพื้นหลัง ซึ่งทำให้สูญเสียประสิทธิภาพ การใช้ออปแอมป์ที่มีกระแสไฟจ่ายในการทำงานต่ำเพียงพอมักจะต่ำกว่ากระแสไฟย้อนกลับของไดโอด Schottky ขนาดใหญ่
คำถาม:
คุณช่วยบอกชื่อการใช้งานที่ใช้งานได้จริงของวงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟได้ไหม คุณสามารถหาคำตอบได้ในฟอรัม Student Zone
เกี่ยวกับอุปกรณ์อนาล็อก
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) เป็นผู้นำของโลก สารกึ่งตัวนำ บริษัทที่อุทิศตนเพื่อเชื่อมโยงโลกทางกายภาพและโลกดิจิทัลเพื่อเปิดใช้งานนวัตกรรมที่ก้าวล้ำที่ขอบอัจฉริยะ ADI ให้บริการโซลูชั่นที่ผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีแอนะล็อก ดิจิทัล และซอฟต์แวร์ เพื่อส่งเสริมการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของโรงงานดิจิทัล รถยนต์ และการรักษาพยาบาลดิจิทัล รับมือกับความท้าทายของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และสร้างการเชื่อมต่อโครงข่ายที่เชื่อถือได้ระหว่างผู้คนและทุกสิ่งในโลก รายได้ในปีงบประมาณ 2022 ของ ADI เกิน 12 พันล้านเหรียญสหรัฐ โดยมีพนักงานมากกว่า 24,000 คนทั่วโลก เมื่อรวมกับลูกค้า 125,000 รายทั่วโลก ADI ช่วยให้นักประดิษฐ์ยังคงทำสิ่งที่เกินความเป็นไปได้ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดไปที่ www.analog.com/cn
เกี่ยวกับผู้เขียน
Doug Mercer จบการศึกษาจาก Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ในปี 1977 ด้วย BSEE นับตั้งแต่เข้าร่วมกับ Analog Devices ในปี 1977 เขาได้มีส่วนร่วมโดยตรงหรือโดยอ้อมกับผลิตภัณฑ์ตัวแปลงข้อมูลมากกว่า 30 รายการ และถือสิทธิบัตร 13 ฉบับ เขาได้รับการเสนอชื่อให้เป็น ADI Fellow ในปี 1995 ในปี 2009 เขาเปลี่ยนจากการทำงานเต็มเวลาและยังคงทำหน้าที่เป็นที่ปรึกษาให้กับ ADI ในฐานะนักวิจัยกิตติมศักดิ์ โดยเขียนให้กับ Active Learning Initiative ในปี 2016 เขาได้รับการแต่งตั้งให้เป็นวิศวกรประจำแผนก RPI ECSE ติดต่อ: doug.mercer@analog.com
ปัจจุบัน Antoniu Miclaus เป็นวิศวกรแอปพลิเคชันระบบที่ Analog Devices โดยทำงานในโครงการสอน ADI และพัฒนาซอฟต์แวร์ฝังตัวสำหรับวงจรจาก Lab® ระบบอัตโนมัติ QA และการจัดการกระบวนการ เขาเข้าร่วมงานกับ Analog Devices ในเดือนกุมภาพันธ์ 2017 ในเมือง Cluj-Napoca ประเทศโรมาเนีย ปัจจุบันเขาเป็นนักศึกษาปริญญาโทสาขาวิศวกรรมซอฟต์แวร์ MSc ที่ Babes Bowyer University และสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคมจากมหาวิทยาลัยเทคนิค Cluj-Napoca ติดต่อ: antoniu.miclaus@analog.com
ดูเพิ่มเติม : โมดูล IGBT | จอแสดงผล LCD | ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์