Prostowniki aktywne – ćwiczenie z zestawem ADALM2000

Prostowniki kojarzą się nam przede wszystkim z układami zasilającymi zamieniającymi przemienne napięcie wejściowe na napięcie stałe. Spotykane są jednak również układy zupełnie niezwiązane z zasilaniem, w których zachodzi konieczność prostowania sygnałów przemiennych. O ile w zasilaczach spadek napięcia na półprzewodnikowej diodzie prostowniczej nie stanowi zwykle żadnego problemu, to w układach obróbki sygnałów niskonapięciowych już tak.

Cel

Celem niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego jest zbadanie aktywnych układów prostowniczych. W szczególności chodzi o układ łączący wzmacniacz operacyjny, tranzystor MOSFET z kanałem typu P o niskim napięciu progowym oraz sprzężenie zwrotne zastosowane w celu zrealizowania jednokierunkowego zaworu prądowego. Czyli prostownika charakteryzującego się mniejszym spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia niż prostownik konwencjonalny z diodą półprzewodnikową

Wprowadzenie

Zasilacze, w których do prostowania napięcia przemiennego w celu uzyskania napięcia stałego są stosowane konwencjonalne diody, muszą radzić sobie z pewnymi nieodłącznymi stratami. Standardowa dioda lub dioda ultraszybka może charakteryzować się napięciem przewodzenia wynoszącym 1 V, a nawet więcej przy prądzie znamionowym. Spadek napięcia na diodzie zmniejsza dostępne napięcie źródła napięcia przemiennego. Obniża to potencjalne stałe (po wyprostowaniu) napięcie wyjściowe. Ponadto taki spadek napięcia pomnożony przez prąd przepływający przez diodę może powodować znaczne rozpraszanie mocy i wytwarzanie ciepła.

Niższe napięcie przewodzenia diod Schottky’ego daje im pewną przewagę nad diodami standardowymi. Trzeba jednak pamiętać, że w diodach Schottky’ego nie pozbywamy się całkowicie spadku napięcia na nich, choć jest on nieco niższy niż na diodach konwencjonalnych.

Wyższą sprawność można osiągnąć poprzez aktywne przełączanie tranzystorów MOSFET synchronicznie z wejściowym napięciem przemiennym. Pozwala to emulować pracę diod, uzyskując przy tym niższe straty przewodzenia tranzystorów FET. Prostowanie aktywne, często nazywane prostowaniem synchronicznym, polega na włączaniu i wyłączaniu tranzystora FET w odpowiednim punkcie napięcia przemiennego zgodnie z polaryzacją. Dzięki temu działa on jak prostownik przewodzący prąd wyłącznie w pożądanym kierunku.

W przeciwieństwie do przypadku z diodą złączową, straty przewodzenia zależą od rezystancji w stanie przewodzenia (R_DS(ON)) oraz od prądu. Wybór tranzystora FET o odpowiednio dużej mocy i niskiej rezystancji R_DS(ON) pozwala zmniejszyć spadek napięcia w kierunku przewodzenia do ułamka wartości osiągalnej przez jakąkolwiek diodę półprzewodnikową. W związku z tym prostownik synchroniczny charakteryzuje się znacznie mniejszymi stratami niż dioda, co przyczynia się do poprawy ogólnej sprawności.

Konieczność synchronizacji sygnału bramkowego służącego do włączania i wyłączania tranzystora FET komplikuje projekt układu w porównaniu z prostownikami opartymi na diodach. Zwiększona złożoność jest jednak często lepszą alternatywą niż dodatkowe zabiegi związane z koniecznością odprowadzania ciepła wytwarzanego przez diody w prostowniku standardowym. W obliczu stale rosnących wymagań dotyczących sprawności, często nie ma lepszej alternatywy niż zastosowanie prostowania synchronicznego.

Materiały

• Uniwersalny zestaw pomiarowy ADALM2000
• Prototypowa płytka stykowa bez lutowania
• Przewody połączeniowe
• Wzmacniacz operacyjny CMOS AD8541 z wejściem/wyjściem typu rail-to-rail – 1 szt.
• Tranzystor PMOS ZVP2110A (lub odpowiednik) – 1 szt.
• Kondensator 4,7 µF – 1 szt.
• Kondensator 220 µF – 1 szt.
• Rezystor 10 Ω – 1 szt.
• Rezystor 2,2 kΩ – 1 szt.
• Rezystor 47 kΩ – 1 szt.
• Rezystor 1 MΩ – 1 szt.

Instrukcja

Zbuduj prosty układ prostownika półokresowego pokazany na rysunku 1 na płytce stykowej bez lutowania. W aktywnym układzie sterującym bramką zastosowano wzmacniacz operacyjny (AD8541) wykrywający moment, w którym przebieg wejściowego napięcia przemiennego, pochodzący z wyjścia generatora AWG, ma wartość bardziej dodatnią niż napięcie wyjściowe V_OUT i włącza tranzystor PMOS M1. Układ ten zapewnia aktywne prostowanie napięć przemiennych już od wartości równych minimalnemu napięciu zasilania wzmacniacza operacyjnego (2,7 V dla AD8541) lub napięciu progowemu bramki tranzystora PMOS (zazwyczaj 1,5 V dla ZVP2110A). Przy niższych napięciach wejściowych dioda między tylną bramką a drenem tranzystora MOSFET przejmuje rolę zwykłego prostownika diodowego.

Rysunek 1. Aktywny prostownik półokresowy ze wzmacniaczem operacyjnym z własnym zasilaniem

Rysunek 2. Aktywny prostownik półokresowy z układem zmontowanym na płytce prototypowej, w którym zastosowano wzmacniacz operacyjny z własnym zasilaniem

Wzmacniacz operacyjny włączy tranzystor PMOS, gdy V_IN będzie większe niż V_OUT, zgodnie z poniższym równaniem:

gdzie (napięcia względem masy):

V_GATE to napięcie na bramce M1,

V_IN to przemienne napięcie wejściowe,

V_OUT to napięcie wyjściowe na C1 i R_L

Napięcia wejściowe i wyjściowe można powiązać z napięciem dren-źródło (V_DS) oraz napięciem bramka-źródło (V_GS) tranzystora PMOS zgodnie z poniższym wyrażeniem:

Aby powiązać sygnał sterujący bramką tranzystora MOSFET z funkcją napięcia dren-źródło, możemy połączyć te równania:

Jeśli rezystancja R2 jest 21 razy większa od rezystancji R1 (1 MΩ/47 kΩ), napięcie dren-źródło tranzystora M1 (VDS) wynoszące 75 mV wystarczy do włączenia tranzystora PMOS o napięciu progowym –1,5 V. W celu zmniejszenia spadku napięcia między wejściem a wyjściem lub dostosowania do tranzystorów o wyższych napięciach progowych można zastosować większe stosunki R2 do R1.

Wymagania dotyczące wzmacniacza operacyjnego

Nóżka zasilania wzmacniacza operacyjnego jest dołączona do kondensatora C1 wygładzającego napięcie wyjściowe, więc nie jest konieczne stosowanie dodatkowego źródła zasilania. Użyty w tym układzie wzmacniacz musi spełniać pewne wymagania. Zarówno wejście, jak i wyjście muszą być typu rail-to-rail oraz nie wykazywać odwrócenia fazy podczas pracy w pobliżu napięć zasilających. Pasmo przenoszenia wzmacniacza operacyjnego ogranicza charakterystykę częstotliwościową układu. W tym zastosowaniu często wybiera się wzmacniacze operacyjne o niskim poborze prądu zasilającego decydującego o oczekiwanej wydajności układu. Zazwyczaj skutkuje to jednak niskim pasmem przenoszenia i niskimi szybkościami narastania. Przy wejściowych sygnałach przemiennych o wyższych częstotliwościach, może się okazać, że powyżej 500 Hz, wzmocnienie wzmacniacza zacznie spadać. Wzmacniacz operacyjny CMOS AD8541 zasilany pojedynczym napięciem spełnia wszystkie wymagania i charakteryzuje się niewielkim poborem prądu zasilającego wynoszącym zaledwie 45 µA.

Konfiguracja sprzętu

Połączenia na płytce prototypowej aktywnego prostownika półokresowego ze wzmacniaczem operacyjnym z własnym zasilaniem przedstawiono na rysunku 2.

Procedura

Sygnał AWG1 jest dołączony jako V_IN i powinien być skonfigurowany jako przebieg sinusoidalny o amplitudzie większej niż 6 V_pp, zerowym offsetem i częstotliwości 100 Hz. Wejścia oscyloskopu służą do monitorowania różnych punktów w układzie, takich jak V_IN, V_OUT, napięcie na rezystorze R_S, a tym samym prąd płynący przez R_S oraz napięcie bramki tranzystora M1.i

Zacznij od zastosowania kondensatora C1 o dużej pojemności 220 µF. Kondensatory o pojemnościach 220 µF i 4,7 µF są spolaryzowane, dlatego należy upewnić się, że ich bieguny dodatnie i ujemne są prawidłowo dołączone do układu.

Do monitorowania wejściowego napięcia przemiennego V_IN oraz stałego napięcia wyjściowego V_OUT użyj dwóch wejść oscyloskopu. Napięcie V_OUT powinno być bardzo zbliżone do wartości szczytowej V_IN. Teraz zastąp duży kondensator o pojemności 220 µF znacznie mniejszym kondensatorem o pojemności 4,7 µF. Obserwuj zmianę przebiegu widocznego na wyjściu V_OUT. Gdy wartość V_OUT jest najbliższa wartości V_IN, porównaj ten okresu wejściowego napięcia przemiennego z napięciem na bramce tranzystora M1.

Rysunek 3. Napięcia VOUT i VIN przy zastosowaniu kondensatorze 220 µF obserwowane na oscyloskopie

Rysunek 4. Napięcia VOUT i VIN przy zastosowaniu kondensatorze 4,7 µF obserwowane na oscyloskopie

Po podłączeniu kanału 2 oscyloskopu do rezystora bocznikowego R_S o rezystancji 10 Ω należy określić wartość szczytową i średnią prądu korzystając z odpowiedniej funkcji pomiarowej. Należy porównać wartość średnią z prądem stałym w rezystorze obciążeniowym R_L o rezystancji 2,2 kΩ, obliczonym na podstawie napięcia zmierzonego na V_OUT. Pomiar ten należy powtórzyć zarówno dla kondensatora o pojemności 220 µF, jak i 4,7 µF.

Inne zastosowania tego układu

Są też inne, potencjalne zastosowania przedstawionego tu układu, który zasadniczo pozwala na przepływ prądu tylko w jednym kierunku przy bardzo małym spadku napięcia na przełączniku. W ładowarkach akumulatorów, w których źródło zasilania wejściowego może być przerywane, np. przy zasilaniu z panelu słonecznego lub generatora wiatrowego, konieczne jest zapobieganie rozładowywaniu się akumulatora, gdy źródło zasilania wejściowego nie generuje napięcia wystarczająco wysokiego do ładowania akumulatora. Zazwyczaj do tego celu stosuje się prostą diodę Schottky’ego, ale jak opisano na wstępie artykułu, może to prowadzić do zmniejszenia sprawności. Jeśli zastosuje się wzmacniacz operacyjny o wystarczająco niskim prądzie zasilania, może on być często niższy niż prąd wsteczny w dużej diodzie Schottky’ego.

Pytanie:

1. Czy potrafisz wymienić kilka rzeczywistych zastosowań prostowników aktywnych? Odpowiedź znajdziesz na blogu StudentZone.

Autorzy: Doug Mercer, Antoniu Miclaus – Analog Devices

Opracowanie: Jarosław Doliński