"Mục tiêu của hoạt động phòng thí nghiệm này là điều tra một bộ chỉnh lưu tích cực mạch. Cụ thể, mạch chỉnh lưu tích cực tích hợp bộ khuếch đại hoạt động, kênh P ngưỡng thấp mosfetvà một vòng phản hồi để tổng hợp một van hoặc bộ chỉnh lưu dòng điện một chiều với chuyển tiếp thấp hơn Vôn giảm hơn so với một diode tiếp giáp PN thông thường.
"
Bởi Doug Mercer, Nhà nghiên cứu tư vấn và Antoniu Miclaus, Kỹ sư ứng dụng hệ thống
Mục tiêu
Mục tiêu của hoạt động thí nghiệm này là khảo sát một mạch chỉnh lưu tích cực. Cụ thể, mạch chỉnh lưu tích cực tích hợp bộ khuếch đại hoạt động, kênh P ngưỡng thấp MOSFEvà một vòng phản hồi để tổng hợp van dòng điện một chiều hoặc bộ chỉnh lưu có điện áp chuyển tiếp giảm thấp hơn so với diode tiếp giáp PN thông thường.
kiến thức nền tảng
Khi một nguồn điện sử dụng đi-ốt truyền thống để chỉnh lưu điện áp xoay chiều để thu được điện áp một chiều, một số bộ phận vốn đã kém hiệu quả phải được chỉnh lưu. Đi-ốt tiêu chuẩn hoặc đi-ốt cực nhanh có thể có điện áp chuyển tiếp từ 1 V trở lên ở dòng điện định mức. Sự sụt giảm điện áp thuận này của diode nối tiếp với nguồn AC, làm giảm điện áp đầu ra DC tiềm ẩn. Ngoài ra, sản phẩm của sự sụt giảm điện áp này và dòng điện được cung cấp qua điốt có nghĩa là sự tiêu hao năng lượng và sinh nhiệt có thể là đáng kể.
Điện áp chuyển tiếp thấp hơn của điốt Schottky là một cải tiến so với điốt tiêu chuẩn. Tuy nhiên, điốt Schottky cũng có điện áp chuyển tiếp cố định tích hợp. Có thể đạt được hiệu quả cao hơn bằng cách chủ động chuyển đổi đồng bộ thiết bị MOSFET với dạng sóng AC đầu vào để mô phỏng đi-ốt, tận dụng tổn thất dẫn truyền thấp hơn của FET. Chỉnh lưu tích cực, thường được gọi là chỉnh lưu đồng bộ, liên quan đến việc chuyển đổi thiết bị FET tại điểm thích hợp trong dạng sóng AC dựa trên cực tính, do đó, nó hoạt động như một bộ chỉnh lưu, chỉ dẫn dòng điện theo hướng mong muốn.
Không giống như trường hợp điốt nối, tổn hao dẫn của FET phụ thuộc vào điện trở phụ (RDS (BẬT)) và hiện tại. Chọn R thấpDS (BẬT)Một FET đủ lớn làm giảm điện áp chuyển tiếp xuống một phần nhỏ so với mức mà bất kỳ diode nào có thể đạt được. Vì vậy, bộ chỉnh lưu đồng bộ sẽ có tổn thất thấp hơn nhiều so với điốt, giúp nâng cao hiệu quả tổng thể.
Thiết kế mạch phức tạp hơn so với các bộ chỉnh lưu dựa trên diode vì các tín hiệu cổng được sử dụng để chuyển đổi FET phải được đồng bộ hóa. Sự phức tạp này thường dễ xử lý hơn so với sự phức tạp thêm vào khi phải loại bỏ nhiệt do điốt tạo ra. Với yêu cầu về hiệu quả ngày càng cao, trong nhiều trường hợp không có sự lựa chọn nào tốt hơn là sử dụng chỉnh lưu đồng bộ.
Vật chất
• Học tập tích cực ADALM2000 Mô-đun
• Breadboard không hàn
• áo len
• Một bộ khuếch đại hoạt động AD8541 CMOS với đầu vào/đầu ra từ đường ray tới đường ray tới đường ray
• Một ZVP2110A PMOS Transistor (hoặc tương đương)
• 4.7 µF tụ
• Một tụ điện 220 µF
• Một 10Ω Điện trở
• Điện trở 2.2 kΩ
• Điện trở 47 kΩ
• Điện trở 1 kΩ
minh họa
Xây dựng mạch chỉnh lưu nửa sóng đơn giản như trong Hình 1 trên breadboard. Mạch điều khiển cổng hoạt động sử dụng bộ khuếch đại hoạt động (AD8541) để phát hiện khi dạng sóng đầu vào AC từ đầu ra AWG cao hơn điện áp đầu ra Vra(theo hướng tích cực), từ đó bật PMOS Transistor M1. Mạch này cung cấp khả năng chỉnh lưu tích cực cho điện áp xoay chiều thấp bằng điện áp cung cấp tối thiểu của op amp (2.7 V đối với AD8541) hoặc điện áp ngưỡng cổng của thiết bị PMOS (1.5 V điển hình đối với ZVP2110A). Ở điện áp đầu vào thấp hơn, cổng sau của MOSFET để thoát diode tiếp quản, hoạt động như một bộ chỉnh lưu diode bình thường.
Hình 1. Bộ chỉnh lưu nửa sóng tích cực sử dụng op amp tự cấp nguồn
Hình 2. Bộ chỉnh lưu nửa sóng chủ động sử dụng mạch Breadboard Op Amp tự cấp nguồn
Khi VINlớn hơn Vraop amp sẽ bật bóng bán dẫn PMOS, với công thức sau:
ở đâu (điện áp nối đất):
VGATElà điện áp tại cổng của M1.
VINĐối với điện áp đầu vào AC.
Vracho C1 và RLđiện áp đầu ra tại .
Điện áp đầu vào và đầu ra có thể liên quan đến điện áp nguồn thoát PMOS VDSvà điện áp cổng nguồn VGSLiên kết với nhau, công thức như sau:
Kết hợp các phương trình này mang lại cho ổ đĩa cổng MOSFET như một chức năng của điện áp nguồn tiêu hao:
Nếu giá trị của R2 gấp 21 lần giá trị của R1 (1 MΩ/47 kΩ), điện áp cực nguồn của M1 VDSMức giảm 75 mV là đủ để bật bóng bán dẫn PMOS có điện áp ngưỡng là C1.5 V. Tỷ lệ giữa R2 và R1 có thể lớn hơn để giảm mức sụt áp đầu vào-đầu ra hoặc để hỗ trợ bóng bán dẫn có điện áp ngưỡng cao hơn .
Bộ khuếch đại thuật toán được cấp nguồn bởi tụ điện làm mịn đầu ra C1, vì vậy không cần nguồn điện bổ sung. Có một số yêu cầu nhất định đối với op amp được chọn cho mạch này. Bộ khuếch đại phải có đầu vào và đầu ra từ đường ray đến đường ray mà không bị đảo pha khuếch đại khi hoạt động gần đường ray nguồn. Băng thông của op amp giới hạn đáp ứng tần số của mạch. Các bộ khuếch đại op hiện tại cung cấp thấp thường được chọn cho ứng dụng này để cải thiện hiệu quả, do đó, băng thông và tốc độ quay thường thấp hơn. Ở tần số đầu vào AC cao hơn (có thể cao hơn 500 Hz), mức tăng của bộ khuếch đại sẽ bắt đầu giảm. Bộ khuếch đại op CMOS một nguồn cung cấp AD8541 đáp ứng tất cả các yêu cầu này với dòng điện cung cấp thấp tới 45 µA.
cài đặt phần cứng
Các kết nối bảng mạch khung cho bộ chỉnh lưu nửa sóng đang hoạt động sử dụng bộ khuếch đại op tự cấp nguồn được hiển thị trong Hình 2.
các bước chương trình
AWG1 được kết nối với VIN, nên được định cấu hình ở dạng sóng hình sin có biên độ từ đỉnh đến đỉnh lớn hơn 6 V, độ lệch bằng 100 và tần số XNUMX Hz. Đầu vào máy hiện sóng được sử dụng để theo dõi các điểm khác nhau xung quanh mạch, chẳng hạn như VINVraRSđiện áp trên và qua RSvà dòng cổng M1.
Bắt đầu với tụ điện lớn hơn 220 µF cho C1. Cả 220 µF và 4.7 µF Tụ được phân cực, vì vậy hãy đảm bảo kết nối chính xác các đầu dương và âm với mạch.
Sử dụng hai đầu vào máy hiện sóng để theo dõi VINở dạng sóng AC đầu vào và VraDạng sóng đầu ra DC tại . Vranên rất thân với VINĐỉnh cao. Bây giờ hãy thay thế tụ điện 220 µF số lượng lớn bằng một tụ điện 4.7 µF nhỏ hơn nhiều. quan sát VraDạng sóng thay đổi tại. Khi Vragiá trị gần nhất với VINkhoảng thời gian của chu kỳ đầu vào AC được so sánh với điện áp cổng của bóng bán dẫn M1.
Hình 3. Sử dụng Tụ điện 220 µF cho Vravà VIN sao chép sơ đồ
Hình 4. V Sử dụng Tụ điện 4.7 µFravà VIN sao chép sơ đồ
Máy hiện sóng kênh 2 được kết nối tại shunt (tức là 10 Ω điện trở RS), sử dụng tính năng đo để lấy giá trị cực đại và trung bình của dòng điện. Kết nối giá trị trung bình với điện trở tải 2.2 kΩ RLso với giá trị DC của VraTính từ điện áp đo được. Lặp lại phép đo này cho các giá trị tụ điện 220 µF và 4.7 µF.
Các ứng dụng khác của mạch này
Một mạch chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng với điện áp rơi rất thấp trên công tắc có những ứng dụng tiềm năng khác. Trong bộ sạc pin, nơi nguồn điện đầu vào có thể không liên tục (chẳng hạn như tấm pin mặt trời hoặc máy phát điện tua-bin gió), cần ngăn không cho pin phóng điện khi nguồn điện đầu vào không tạo ra điện áp đủ cao để sạc pin. Điốt Schottky đơn giản thường được sử dụng cho mục đích này, nhưng như đã lưu ý trong phần cơ bản, điều này dẫn đến giảm hiệu quả. Sử dụng op-amp với dòng cung cấp hoạt động đủ thấp thường có thể thấp hơn dòng rò ngược của diode Schottky lớn.
câu hỏi:
Bạn có thể kể tên một số ứng dụng thực tế của bộ chỉnh lưu tích cực không? Bạn có thể tìm thấy câu trả lời trên diễn đàn Khu sinh viên.
Giới thiệu về thiết bị tương tự
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI) là công ty hàng đầu thế giới bán dẫn công ty chuyên làm cầu nối giữa thế giới vật lý và kỹ thuật số để tạo ra những đổi mới đột phá ở ranh giới thông minh. ADI cung cấp các giải pháp kết hợp công nghệ tương tự, kỹ thuật số và phần mềm để thúc đẩy sự phát triển không ngừng của các nhà máy kỹ thuật số, ô tô và chăm sóc y tế kỹ thuật số, giải quyết các thách thức của biến đổi khí hậu và thiết lập mối liên kết đáng tin cậy giữa con người và mọi thứ trên thế giới. Doanh thu năm tài chính 2022 của ADI vượt quá 12 tỷ đô la Mỹ, với hơn 24,000 nhân viên trên toàn thế giới. Cùng với 125,000 khách hàng trên khắp thế giới, ADI giúp các nhà đổi mới tiếp tục vượt qua những gì có thể. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập www.analog.com/cn.
Thông tin về các Tác giả
Doug Mercer tốt nghiệp Học viện Bách khoa Rensselaer (RPI) năm 1977 với bằng BSEE. Kể từ khi gia nhập Analog Devices vào năm 1977, ông đã trực tiếp hoặc gián tiếp đóng góp cho hơn 30 sản phẩm chuyển đổi dữ liệu và nắm giữ 13 bằng sáng chế. Anh ấy được vinh danh là Thành viên của ADI vào năm 1995. Năm 2009, anh ấy chuyển từ công việc toàn thời gian và tiếp tục làm cố vấn cho ADI với tư cách là nhà nghiên cứu danh dự, viết cho Sáng kiến Học tập Tích cực. Năm 2016, anh được bổ nhiệm làm Kỹ sư nội trú của Phòng RPI ECSE. Liên hệ: doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus hiện là Kỹ sư ứng dụng hệ thống tại Analog Devices, làm việc trong các dự án giảng dạy ADI và phát triển phần mềm nhúng cho Circuits from the Lab®, tự động hóa QA và quản lý quy trình. Anh gia nhập Analog Devices vào tháng 2017 năm XNUMX tại Cluj-Napoca, Romania. Anh hiện là sinh viên Thạc sĩ chương trình Thạc sĩ Kỹ thuật phần mềm tại Đại học Babes Bowyer và có bằng Cử nhân Kỹ thuật Điện tử và Viễn thông của Đại học Kỹ thuật Cluj-Napoca. Liên hệ: antoniu.miclaus@analog.com.
Xem thêm : Mô-đun IGBT | Màn hình LCD | Linh kiện điện tử