Структурная схема стабилизированного выпрямителя — Мегаобучалка
МОНТАЖ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Цель работы: приобретение технических навыков по разработке элементов технической документации; закрепление навыков по монтажу узлов электронной аппаратуры способом навесного монтажа; закрепление теоретических знаний о принципах работы стабилизационных выпрямителей.
Домашнее задание
1 Изучить по [1], [2], [3], [4] принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения.
2 Вычертить на формате А4 принципиальную схему стабилизированного выпрямителя [3, с. 190].
Вопросы для самопроверки
1 Дайте определение «стабилизатор напряжения».
2 Поясните назначение трансформатора.
3 Поясните принцип работы выпрямителя и фильтра.
4 Приведите и поясните частотный спектр выпрямленного напряжения.
5 В чем заключается сущность параметрического метода стабилизации.
6 Выполните сравнительную характеристику структурных схем последовательного и параллельного компенсационного стабилизатора напряжения.
7 Какими свойствами должны обладать изделия, используемые в качестве регулирующих элементов в стабилизаторе.
8 Разъясните понятия «коэффициент пульсации» и «коэффициент фильтрации»
9 Поясните назначение и принцип работы RC фильтра.
Приборы и оборудование
1 Монтажная плата с набором комплектующих.
2 Испытательный стенд.
3 Приборы: Ц4315, осциллограф, вольтметр В7-38, лабораторный автотрансформатор.
4 Инструмент: бокорезы, паяльник, пинцет, отвертка.
5 Материалы: припой, флюс, монтажные провода.
Порядок выполнения работы
1 Ответить на вопросы по домашнему заданию.
2 Получить инструктаж по технике безопасности.
3 Получить монтажную плату по номеру записи в классном журнале.
4 Произвести демонтаж, т.е. выпаять монтажные провода.
5 Начертить эскиз монтажной платы в масштабе 1:1.
6 Изучить расположение элементов стабилизированного выпрямителя на монтажной плате и обозначить номера контактных соединений (лепестков) на принципиальной схеме.
7 Проверить работоспособность элементов. Результаты измерений записать в рабочую тетрадь. Неисправные элементы предъявить преподавателю для замены.
8 Составить схему соединений и таблицу соединений.
9 Выполнить монтаж стабилизированного выпрямителя способом параллельно-перпендикулярного монтажа.
10 Снять и составить карту сопротивлений в виде таблицы и рисунка.
11 Подключить монтажную плату к испытательному стенду. Снять и составить карту напряжений в виде таблицы и рисунка (4, 7).
12 Выполнить измерение и рассчитать основные технические показатели стабилизатора: коэффициент стабилизации, коэффициент фильтрации, внутреннее сопротивление (4, 8).
14 Составить технический паспорт стабилизатора.
15 Составить отчет по работе (4).
16 Представить отчет и монтажную плату преподавателю.
Содержание отчета
1 Структурная схема стабилизированного выпрямителя и эпюры напряжений в контрольных точках.
2 Принципиальная схема стабилизированного выпрямителя (формат А4).
3 Электромонтажная схема (схема соединений) (формат А4).
4 Таблица соединений (формат А4).
5 Результаты измерений комплектующих.
6 Данные измерений (таблица) и рисунок карты сопротивлений.
7 Данные измерений (таблица) и рисунок карты напряжений.
8 Расчеты основных технических показателей стабилизатора: коэффициент стабилизации, коэффициент фильтрации, внутреннее сопротивление.
9 Технический паспорт стабилизатора.
10 Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1 Что произойдет в стабилизаторе при перемещении движка резистора R5 вверх (вниз)? Поясните процессы, происходящие в стабилизаторе.
2 Укажите причины уменьшения коэффициента стабилизации и фильтрации.
3 Укажите элементы стабилизатора, определяющие внутренне сопротивление.
4 Как выполняется защита стабилизатора от коротких замыканий в нагрузке?
5 Как проверить работоспособность стабилизатора при наличии вольтметра и набора резисторов.
6 Нарисуйте структурную схему для определения внутреннего сопротивления стабилизатора.
7 Почему стабилизатор обладает фильтрующими свойствами?
Литература
1 Электропитание устройств связи / В.М. Бушуев – Москва.: Радио и связь, 1986.
2 Сизых Г.Н. Электропитание устройств связи / Г.Н. Сизых – Москва.: Радио и связь, 1982.
3 Бурда А.Г. Обучение в электромонтажных мастерских / А.Г. Бурда – Москва.: Радио и связь, 1988.
4 Методические указания.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Структурная схема стабилизированного выпрямителя
Электронная аппаратура питается от сети переменного тока.
Однако для работы электронной аппаратуры требуется постоянное напряжение нескольких номиналов. Структурная схема стабилизированного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рисунке 1.
|
Для получения различных номиналов напряжения применяют повышающее или понижающее трансформаторы (2 рисунок 1б). Трансформатор преобразует напряжение сети переменного тока в такое, которое необходимо для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя. Кроме того, трансформатор необходим для гальванической развязки нагрузки и питающей сети.
Для преобразования переменного напряжения в постоянное применяются выпрямители (3 рисунок 1б). Наибольшее распространение в маломощных устройствах электропитания электронной аппаратуры получила мостовая схема выпрямителя (рисунок 2), в которой вторичная обмотка трансформатора подключена к одной из диагоналей моста, собранного из четырех диодов, а выпрямленное напряжение снимается с другой диагонали моста.
В течение положительного полупериода напряжение сети Uвх1 и напряжение вторичной обмотки трансформатора Uвх2 (полярность обозначена знаками «+», «-») диоды VD1 и VD4 открыты, а диоды VD2 и VD3 закрыты.
Ток i1-4 через нагрузку протекает в направлении, показанном сплошной стрелкой. В течение отрицательного полупериода напряжение (полярность обозначена знаками «+», «-») диоды VD2 и VD3 открыты, а диоды VD1 и VD4 закрыты. Через нагрузку протекает ток i2-3, обозначенный штриховой линией, направление которого на нагрузке совпадает с направлением тока i
Если график (3, рисунок 1,б) разложить в ряд Фурье, (рисунок 3), то выпрямленное пульсирующее напряжение содержит постоянную составляющую U0 и гармоники U12, U22, U32 и т.
д.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения является полезной и должна поступить в нагрузку без потерь. Гармонические составляющие U12, U22, U3~ ухудшают стабильность U
(1)
Для ослабления пульсаций между выпрямителя и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, обычно состоящий из реактивных сопротивлений (индуктивностей и емкостей). Резонансная частота такого фильтра fр (рисунок 3) должна быть меньше 100 Гц. В выпрямителях малой мощности применяют фильтры состоящие из активного сопротивления и емкости (рисунок 4). В таком фильтре относительно велики падение напряжения и потери энергии на резисторе R
Работу резистивно-емкостного фильтра необходимо рассматривать совместно с выпрямителем. Его действие основано на накоплении электрической энергии, в электрическом поле конденсатора при напряжении U0 Коэффициент пульсации на выходе фильтра уменьшается (3, рисунок 1,б, штриховая линия).
|
Навигация: Главная Случайная страница Обратная связь ТОП Интересно знать Избранные Топ: Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности… Динамика и детерминанты показателей газоанализа юных спортсменов в восстановительном периоде после лабораторных нагрузок до отказа… Интересное: Распространение рака на другие отдаленные от желудка органы: Характерных симптомов рака желудка не существует. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными… Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья… Дисциплины: Автоматизация Антропология Археология Архитектура Аудит Биология Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Журналистика Зоология Иностранные языки Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыкология Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Теология Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Энергетика Юриспруденция |
Стр 1 из 3Следующая ⇒ Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямители обладают существенными преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 1. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.
Рисунок 1 — Обобщенная структурная схема выпрямителя
Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры низких частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R,L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов — транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок. Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В. Классификация выпрямителей. Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др. По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными. Они делятся: а) на однополупериодные, в которых ток через вентиль проходит в течение одного полупериода переменного напряжения сети; б) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов; в) схемы с умножением напряжения. Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды. В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения.
123Следующая ⇒ Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого… Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции… Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим… Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций… |
Выраженные симптомы появляются, когда опухоль…
Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения.
В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.
Выпрямители напряжения и электрического тока
Используй поиск, чтобы найти научные материалы и собрать список литературы
База статей справочника включает в себя статьи написанные экспертами Автор24, статьи из научных журналов и примеры студенческих работ из различных вузов страны
Содержание статьи
1.
Классификация выпрямителей
2. Область применения выпрямителей напряжения и электрического тока
3. Выпрямители с умножением напряжения
Классификация выпрямителей
Определение 1
Выпрямитель – это устройство для преобразования входного переменного тока в постоянный выходной электрический ток.
Структурная схема выпрямителя изображена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Структурная схема выпрямителя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Тр. — трансформатор; В — выпрямляющее устройство; Ф — фильтр; Ст. — стабилизатор напряжения или тока; Н — нагрузка.
Выпрямители электрического тока классифицируются по следующим признакам:
- По виду переключаемого тока выпрямители могут быть с электронной пассивной коммутацией, механические синхронные с щеточно-коллекторным коммутатором тока, механические синхронные с контактным выпрямителем, с электронной управляемой коммутацией.
- По степени применения полупериодов переменного напряжения выпрямители могут быть полноволновые (используют полностью синусоидальные полуволны), однополупериодные (пропускают в нагрузку только через одну полуволну), неполноволновые (используют синусоидальные полуволны не полностью), двухполупериодные (способны пропускать в нагрузку две волны).
- По мощности выпрямители могут быть выпрямителями сигналов (используются в радиотехнике и автоматике), а также силовыми выпрямителями (используются в энергетике и электронике).
- По схеме выпрямления выпрямители могут быть мостовые, с гальванической развязкой, трансформаторные, с умножением напряжения, бестрансформаторные и т.п.
- По типу электронного вентиля выпрямители могут быть газотронные, игнитронные, ламповые и т.п.
- По количеству используемых фаз выпрямители могут быть одно-, двух, трех, и многофазные.
- По количеству каналов выпрямители могут быть многоканальные и одноканальные.
- По управляемости выпрямители могут быть тиристорные (управляемые) и диодные (неуправляемые).
- По степени полноты мостов выпрямители могут быть четвертьмостовые, полумостовые, полномостовые.
- По величине выпрямленного напряжения выпрямители могут быть высоко-, низко- и средневольтные.
- По назначению выпрямители могут быть сварочные, для гальваники, питания анодных цепей и т. п.
- По наличию устройств стабилизации выпрямители могут быть нестабилизированные и стабилизированные.
- По способу соединения выпрямители могут быть параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.
- По способу объединения выпрямители могут быть раздельные, а также объединенные кольцами или звездами.
- По частоте выпрямленного тока выпрямители могут быть низко-, средне и высокочастотные.
п.Область применения выпрямителей напряжения и электрического тока
Выпрямители электрического тока и напряжения используются в системах, где есть необходимость в преобразовании переменного тока в постоянный. Например, они применяются в:
- Электрических сливных установках. Здесь они используются в питании главных двигателей постоянного тока буровых станков и транспортных средств, а также в преобразователях бортового электроснабжения автономных транспортных средств.
- Блоках питания. Здесь они используются в качестве блоков питания различной аппаратуры.
- Сварочных аппаратах.
- Вентильных блоках преобразовательных подстанций систем электроснабжения Здесь они используются в установках для очистки воды, гальванических ваннах, электроснабжении промышленных предприятий, в системах передачи энергии и т.п.
- Составе ректенн. Здесь они используются в системах сбора энергии окружающих электромагнитных сигналов, а также беспроводных системах передачи электрической энергии.
Определение 2
Ректенна – это нелинейная антенна, которая используется для преобразования энергии поля электромагнитной волны, падающей на нее, в энергию постоянного тока.
Выпрямители с умножением напряжения
Выпрямители с умножением напряжения используются в том случае, когда необходимо, чтобы входное переменное напряжение было ниже, чем выходное постоянное. К данному виду выпрямителей относятся выпрямитель Вилларда, умножитель Кокрофта — Уолтона, выпрямитель Грайнахера и мостовой удвоитель напряжения.
Выпрямитель Вилларда состоит из конденсатора (включенного последовательно с обмоткой) и диода (включенного параллельно нагрузке). Его особенность заключается том, что в нем в качестве сглаживающего фильтра используется дроссель. Выпрямитель Грейнахера состоит из двух диодов, а в качестве сглаживающего фильтра в нем используется конденсатор, данная схема применяется в амплитудных детекторах радиоприемников. Умножитель Кокрофта-Уолтона предоставляет возможность в увеличении выходного напряжения в несколько раз. Кокрофт и Уолтон использовали его для проведения первого эксперимента по расщеплению атомных частиц в ускорителе. В настоящее время он применяется в системах, где есть необходимость в получении очень высокого напряжения.
У выпрямителей с умножением напряжения есть несколько недостатков относительно других видов. К ним относятся высокий уровень пульсации и высокое внутреннее сопротивление.
Сообщество экспертов Автор24
Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 05.02.2022
Выполнение любых типов работ по электронике, электротехнике, радиотехнике
Контрольная работа по электрическим машинам на заказ Контрольная работа по электронике, электротехнике, радиотехнике Отчет по практике по электронике, электротехнике, радиотехнике Задачи на тему электродинамика на заказ Реферат на тему электродинамика Презентация на тему закон электродинамики и принцип относительности Дипломная работа на тему монтаж электрооборудования Дипломная работа на тему электроснабжение Контрольная работа по ТОЭ Реферат по радиотехнике
Подбор готовых материалов по теме
Дипломные работы Курсовые работы Выпускные квалификационные работы Рефераты Сочинения Доклады Эссе Отчеты по практике Решения задач Контрольные работы
Мостовая схема выпрямления
Мостовая схема выпрямителя.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке. Основная особенность данной схемы — использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения. При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки — вентиль V2 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 — нижний вывод вторичной обмотки — обмотка.
Поиск данных по Вашему запросу:
Схемы, справочники, даташиты:
Прайс-листы, цены:
Обсуждения, статьи, мануалы:
Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.
Содержание:
- Однофазная мостовая схема выпрямления.
- Силовая электроника — Выпрямители
- Мостовая схема выпрямления
- Структурная схема и графики напряжений выпрямителя
- Мостовой выпрямитель
- Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры
Схема и принцип действияПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Мостовая схема
Однофазная мостовая схема выпрямления. Схема и принцип действия
Мостовая схема выпрямителя. Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке. Основная особенность данной схемы — использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.
При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки — вентиль V2 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 — нижний вывод вторичной обмотки — обмотка.
При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки — вентиль V4 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V1 — верхний вывод вторичной обмотки — обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку выделено курсивом одинаково. Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности.
По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.
Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.
Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления:.
На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное — с двухполупериодной. На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме.
Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления. Преобразователи напряжения. Поиск по сайту. Виды преобразователей напряжения. Карта сайта. Что такое преобразователь напряжения? Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Uн — Напряжение на нагрузке. Uн0 — Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Виды преобразователей напряжения Приложение Карта сайта. Мостовая схема выпрямителя Мостовая схема выпрямителя.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора Uн — Напряжение на нагрузке. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления: На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза.
Силовая электроника — Выпрямители
Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники. В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них.
Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств. Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U 1 , U 2 и U n. Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля диода выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.
Однополупериодная схема выпрямления используется в современных Мостовая однофазная схема выпрямления приведена на рисунке
Мостовая схема выпрямления
Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор. Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики — преобразование выпрямление переменного тока.
После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод. Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель. Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод.
Структурная схема и графики напряжений выпрямителя
Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых приборов существует много различных схем. Однополупериодная схема с активной нагрузкой приведена на рисунке , где — силовой трансформатор в отличие от выходных, входных и других типов трансформаторов, применяемых в электронных приборах , обмотка I которого является сетевой, а обмотка II — повышающей, В — вентиль и — нагрузка. Под действием положительных импульсов переменного напряжения, возникающего в обмотке II, через вентиль В и нагрузку протекает пульсирующий и прерывистый ток рис. Сопротивление вентиля В непостоянно: оно определяется крутизной вольт-амперной характеристики в каждой точке.
Однако при включении последовательно с диодом нагрузки сопротивление Рис.
Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы группы выпрямительных диодов или тиристоров и сглаживающего фильтра. При подаче на вход выпрямителя — на первичную обмотку трансформатора — переменного напряжения u 1 на выходе выпрямителя — на нагрузке — появляется постоянное напряжение u.
Мостовой выпрямитель
Однофазная мостовая схема при работе на активную нагрузку. В данную схему включают четыре вентиля рис. К одной диагонали моста подключают переменное напряжение u2, а к другой диагонали — нагрузку г. Вентили V2 и V4 за этот полупериод находятся под обратным напряжением.. За второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток t0 проходит от точки б через вентиль V2, сопротивление нагрузки г и вентиль V4 к точке а.
Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры
Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод. На рис. К мосту подводится напряжение u2, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u1 на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.
Для мостовых схем выпрямления параметры полупериодность и тактность совпадают. На практике перечисленные схемы выпрямителей получили.
На рисунке изображена мостовая схема выпрямителя. Четыре диода включены таким образом, что ток через нагрузку течет только в одном направлении. На следующем рисунке показано прохождение тока в течение положительного полупериода входного сигнала.
В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения вторичная обмотка трансформатора , а к другой — нагрузка. В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде — по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление.
Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль. Временные диаграммы для мостовой схемы, изображённы на рисунке 2. У мостовой схемы в каждом полупериоде ток проходит одновременно через два диода например, VD1, VD2 , потому временные зависимости токов и напряжений будут принадлежать парам вентилей.
В данной статье расскажем что такое выпрямитель тока, принципы его работы и схемы выпрямления электрического тока. Выпрямитель электрического тока — электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный одно полярный электрический ток.
Компьютерные сети Системное программное обеспечение Информационные технологии Программирование. Все о программировании Обучение Linux Unix Алгоритмические языки Аналоговые и гибридные вычислительные устройства Архитектура микроконтроллеров Введение в разработку распределенных информационных систем Введение в численные методы Дискретная математика Информационное обслуживание пользователей Информация и моделирование в управлении производством Компьютерная графика Математическое и компьютерное моделирование Моделирование Нейрокомпьютеры Проектирование программ диагностики компьютерных систем и сетей Проектирование системных программ Системы счисления Теория статистики Теория оптимизации Уроки AutoCAD 3D Уроки базы данных Access Уроки Orcad Цифровые автоматы Шпаргалки по компьютеру Шпаргалки по программированию Экспертные системы Элементы теории информации Главная Тексты статей Добавить статьи Контакты Мостовая схема выпрямления Дата добавления: ; просмотров: ; Нарушение авторских прав.
Принципиальная схема однофазного двухтактного выпрямителя при различном типе нагрузки активной и активно-емкостной изображена на рис. Схема представляет собой мост вентилей, в одну диагональ которого включена нагрузка, а в другую — переменное напряжение от вторичной обмотки сетевого трансформатора. При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: верхний вывод вторичной обмотки — вентиль VD1 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль VD4 — нижний вывод вторичной обмотки — обмотка. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: нижний вывод вторичной обмотки — вентиль VD3 — верхний вывод нагрузки — нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль VD2 — верхний вывод вторичной обмотки — обмотка.
С помощью выпрямителей осуществляется преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В промышленных установках применяют различные схемы выпрямления переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.
При сравнении различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики: число полупроводниковых приборов, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.
|
ПРИМЕР ОФОРМЛЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ В УСЛОВИЯХ ДОТ (на платформе Canvas) Дата: ___31.10.2020_____ Наименование модуля/дисциплины:__ Электротехника, электроника и оборудование __ Тема занятия: _____ Электронные выпрямители и стабилизаторы __________.
Планируемые результаты:
Рисунок 3.1 — Обобщенная структурная схема выпрямителя
Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов — транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. 
Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок. Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В. Классификация выпрямителей. Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др. 
По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными. Они делятся: а) на однополупериодные, в которых ток через вентиль проходит в течение одного полупериода переменного напряжения сети; б) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов; в) схемы с умножением напряжения. Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды. 
В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения. Схемы однофазных выпрямителей приведены на рисунке 3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3.2 а, является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рисунке 3.3, а. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Рисунок 3.2 – Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети
Двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рисунке 3.2 б, представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w2 и w2‘. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок 3.2, в) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В). Рисунок 3.3 – Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питаемых от однофазной сети, при резистивной нагрузке без фильтра
Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рисунок 3. Для сравнения рассмотренных схем выпрямителей в таблице 3.  1 приведены их основные параметры при работе на резистивную нагрузку без фильтра. В этой таблице приняты следующие обозначения основных характеристик: n=U1/U2=w1/w2 – коэффициент трансформации, U1 – действующее значение напряжения на первичной обмотке, U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке, w1 и w2 – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно, UН = nдUпр + Uв – расчетное значение напряжения на нагрузке, nд – число последовательно включенных диодов, Uв – среднее значение выпрямленного напряжения; Uпр – прямое падение напряжения на диоде, fс – частота питающей сети, Кп = Unm/UН – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, Unm – амплитуда напряжения с частотой пульсаций на выходе выпрямителя.
Выпрямители с умножением напряжения применяются в высоковольтных выпрямителях, потребляющих сравнительно небольшой ток (обычно не больше 10 мА).  Такие выпрямители часто называют умножителями напряжения. Наибольшее распространение получили схемы удвоения и утроения напряжения.
Таблица 3.1 – Основные характеристики схем выпрямителей при работе на резистивную нагрузку жүктеу/скачать 249,9 Kb. Достарыңызбен бөлісу: |
Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. По сравнению с другими источниками постоянного тока выпрямители обладают существенными преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 3.1. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.
В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.
Форма выходного напряжения такого выпрямителя приведена на рисунке 3.3, б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.
2, г) представляет собой последовательное соединение двух однофазных однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VDI заряжается конденсатор С1 а во втором полупериоде проводит диод VD2 и конденсатор С2 заряжается напряжением противоположной полярности. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы С1 и С2 могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Эту схему можно получить из мостовой схемы, изображенной на рисунке 3.2, в, если заменить диоды VD3 и VD4 конденсаторами С1 и С2. В связи с этим такой выпрямитель часто называют полумостовым. К достоинствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного напряжения трансформатора, а к недостаткам — наличие двух конденсаторов С1 и С2.Преобразовательные устройства. Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора
~ ЛЕКЦИЯ 28 ~
Преобразовательные устройства
Для работы многих электронных устройств необходимы источники питания постоянного тока, преобразующие энергию промышленной сети переменного тока.
Основным звеном в источниках питания является выпрямитель-устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.
Выпрямители подразделяют на неуправляемые и
управляемые, однофазные и многофазные, малой, средней и большой мощности.
Для
улучшения качества выпрямленного сигнала используют сглаживающие фильтры и
стабилизаторы напряжения.
Схемы однофазных выпрямителей:
— однополупериодная;
— двухполупериодная с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора;
— мостовая.
Схемы выпрямителей трехфазного тока:
— трехфазная с нулевым выводом трансформатора;
— трехфазная мостовая;
— двойная трехфазная.
Помимо перечисленных существуют каскадные схемы выпрямителей, схемы умножения напряжения.
Для оценки работы трансформаторов и выпрямителей используют параметры:
Ø выпрямленное напряжение Ud и ток Id в нагрузке;
Ø эффективные значения токов I1 и I2 и напряжения U1 и U2 первичной и вторичной обмоток трансформатора, а также типовую мощность трансформатора Sт;
Ø максимальное обратное напряжение на вентиле UВ MAX;
Ø средний Ia и максимальный Iamax токи вентиля;
Ø коэффициент пульсаций q=Ud1m/Ud ср,
где Ud1m – напряжение основной гармоники; Ud ср – среднее значение выпрямленного
напряжения.
В структурную схему маломощного источника питания (
рис.2.1) входят силовой трансформатор Тр, выпрямитель В, сглаживающий фильтр СФ, стабилизатор напряжения Ст, нагрузка Н.Рис.2.1.Структурная схема маломощного источника питания.
В этой схеме силовой трансформатор предназначен для изменения до необходимой величины переменного сетевого напряжения и выполняет вспомогательную роль. После выпрямления переменного напряжения выпрямителем сглаживающий фильтр уменьшает его пульсации до необходимой величины. Стабилизатор предназначен для поддержания напряжения на нагрузке при изменении напряжения в сети.
Однофазные выпрямителиДля выпрямления
однофазного переменного тока применяют достаточно простые, на одном или
нескольких вентилях, устройства: однополупериодный или двухполупериодный
(мостовой или с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора) выпрямители.
Однополупериодный выпрямитель
В схему однополупериодного выпрямителя (рис.2.2) входит вентиль VD и нагрузка Rн. Питающее переменное напряжение выпрямитель получает через трансформатор Тр.
Рис.2.2.Схема однополупериодного выпрямителя.
Для анализа работы всех выпрямителей допустим, что трансформатор и вентили идеальны, т.е. сопротивления трансформатора и вентиля в прямом направлении равны нулю, обратное сопротивление вентиля бесконечно велико.
Работу выпрямителя рассмотрим с помощью временных диаграмм (рис.2.3).
Рис.2.2.Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя.
При синусоидальном
характере изменения напряжения на трансформаторе ток id в цепи нагрузки будет появляться только
тогда, потенциал точки а вторичной обмотки трансформатора а будет положителен по отношению
к потенциалу точки bb (а >b).
При этом вентиль VD открыт, через него будет протекать ток ia, падение напряжения на вентиле Uв=0 и ia= i2 = id =U2/Rн.
Когда изменится направление тока во вторичной обмотке трансформатора (а <b), вентиль закрывается, ток через него протекать не будет и ia= i2 = id =0, Uв= Uв max.
Ток в нагрузке Rн имеет пульсирующий характер, т.е. появляется только в один из полупериодов напряжения U2. Напряжение Ud появляется на нагрузке Rн только в положительный полупериод напряжения U2 и Ud= id Rн= U2.
Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянную составляющую) можно определить как Ud ср= U2/=0.45 U2, или U2=2.22 Ud ср.
Максимальное значение
обратного напряжения равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора:
Uв мax=U2, или Uв max = Ud ср.
Среднее значение тока в нагрузке однополупериодного выпрямителя: Id =Ud ср/ Rн.
.
Для расчета трансформатора необходимо знать эффективные токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток: I2=Id/2=1.57 Id,
где n – коэффициент трансформации трансформатора определяемый как n=U1/ U2= W1/W2;
W1,W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Мощность первичной обмотки трансформатора:
Мощность вторичной обмотки:
S2 = U2I2 = 3.5Pd,
где P
d – мощность в нагрузке,Pd= IdUd ср.
Мощность первичной обмотки может возрастать из-за намагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки:
S1=(3.23.5)Pd.
Габаритные размеры трансформатора зависят от его мощности:
Sт=S1+S2/2(3.353.5) Pd,
т.е. типовая мощность трансформатора, определяющая его габариты в 3.353.5 раза превышает мощность нагрузки, что свидетельствует о плохом использовании трансформатора в однополупериодном выпрямителе.
Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения:
Ud1 m=1.57Ud ср,
а коэффициент пульсаций
q= Ud1 m/Ud ср и q=1.
57
для однополупериодного выпрямителя.
Частота изменения тока основной гармоники fd1 равна частоте сети fc, так как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.
Таким образом к недостаткам однополупериодного выпрямителя можно отнести:
· высокий уровень пульсаций;
· подмагничивание сердечника трансформатора;
· низкую частоту основной гармоники выпрямленного напряжения;
· низкую эффективность использования трансформатора и его большие габариты;
большое напряжение Uв мах.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатораОсобенностью
схемы выпрямителя с нулевым выводом (рис.2.4) является схема соединения
вторичных обмоток трансформатора: силовой трансформатор Тр имеет две вторичные обмотки
– w2-1 и
w2-2,
связанные с первичной обмоткой коэффициентом трансформации n=w1/w2-1=w1/w2-2.
Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов VD1
и VD2, катоды диодов через нагрузку Rн подключены к нулевой точке вторичной обмотки в связи с этим напряжения на
обмотках одинаковы и сдвинуты по фазе на 1800.
: принцип работы, принципиальная схема, выходное напряжение
Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.
Когда необходим источник питания постоянного тока, используется источник питания постоянного тока. Источник питания постоянного тока — это устройство, которое преобразует переменный ток (AC) в регулируемый постоянный ток (DC) для использования в электрических цепях. Источник питания постоянного тока состоит из выпрямителя, фильтра, регулятора напряжения и делителя напряжения. См. рис. 1.
Рис. 1. На блок-схеме показаны основные компоненты источника питания постоянного тока.
Блок питания постоянного тока может также включать в себя трансформатор и умножитель напряжения.
Трансформатор представляет собой электрическое устройство, использующее электромагнетизм для изменения напряжения с одного уровня на другой или для изоляции одного напряжения от другого.
В зависимости от стоимости и области применения источник питания постоянного тока может содержать все или некоторые из этих компонентов.
Выпрямитель представляет собой электрическую цепь, преобразующую переменный ток в постоянный. Выпрямители обычно состоят из одного или нескольких диодов, используемых для управления потоком тока в цепи.
В однофазных источниках питания постоянного тока используются три основных типа выпрямителей: полуполупериодный, двухполупериодный, и двухполупериодный мостовой выпрямитель .
Однополупериодный выпрямитель РабочийОднополупериодный выпрямитель представляет собой электрическую цепь, содержащую источник переменного тока, нагрузочный резистор (RL) и диод, который пропускает только положительные полупериоды синусоидальной волны переменного тока , который создает пульсирующий постоянный ток.
См. рис. 2.Однополупериодное выпрямление выполняется, поскольку ток может течь только тогда, когда анодный вывод диода D1 положителен по отношению к катоду. Электроны не могут проходить через выпрямитель, когда катод положителен по отношению к аноду.
Выходное напряжение однополупериодного выпрямителяВыходное напряжение однополупериодного выпрямителя считается пульсирующим постоянным током, когда половина синусоиды переменного тока отсекается.
Пульсирующий постоянный ток — это постоянный ток, который изменяется по амплитуде, но не меняет полярность.
Выпрямитель может проходить как положительную, так и отрицательную половину цикла входного переменного тока в зависимости от полярности диода в цепи. Однополупериодные выпрямители считаются неэффективными для многих приложений, поскольку половина входного цикла не используется.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источники питания постоянного тока, например, используемые для зарядки телефонов и инструментов, подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
Важно знать разницу при замене, тестировании или устранении неполадок выпрямителя. Например, , регулируемый выпрямитель 12 В постоянного тока/500 мА должен измерять около 12 В постоянного тока для любой нагрузки от 0 до 500 мА.
A 12 В пост. тока/500 мА нерегулируемый номинальный выпрямитель будет измерять гораздо более высокое напряжение, примерно до 16 В постоянного тока, для нагрузок менее 500 мА и около 12 В постоянного тока, только когда нагрузка достигает 500 мА.
Оба типа снижают выходное напряжение при перегрузке выше своих номиналов.
Рисунок 2. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя
Двухполупериодный выпрямитель в рабочем состоянии Двухполупериодный выпрямитель представляет собой электрическую цепь, содержащую два диода и трансформатор с центральным отводом, используемый для получения ОКРУГ КОЛУМБИЯ.
См. рис. 3.
Трансформатор со средним отводом подает противофазные напряжения на два диода. Когда напряжение индуцируется во вторичной обмотке от точки A до B, точка A положительна по отношению к точке N. Ток течет от N к A, через нагрузку R L и через диод D1. Диод D1 имеет прямое смещение и позволяет электронам течь. Диод D2 представляет собой с обратным смещением и блокирует протекание тока, поскольку точка B имеет отрицательное значение (–), а точка A положительная (+).
При изменении напряжения на вторичной обмотке меняется на противоположное во время отрицательного полупериода синусоиды переменного тока, точка B положительна по отношению к точке N. Затем ток течет от N к B, через нагрузку и через диод D2. Диод D2 имеет прямое смещение и позволяет электронам течь. Диод D1 представляет собой с обратным смещением и блокирует ток, потому что B положителен по отношению к N.
Это повторяется каждый цикл синусоиды переменного тока, создавая на выходе двухполупериодный постоянный ток.
Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя не имеет холостого хода. Электроны проходят через нагрузку в течение обоих полупериодов. Постоянный поток электронов приводит к полному выходному сигналу. Двухполупериодный выпрямитель более эффективен и имеет более плавный выходной сигнал, чем однополупериодный выпрямитель.
Рис. 3. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель в рабочем состоянииДвухполупериодный мостовой выпрямитель представляет собой электрическую схему, содержащую четыре диода, которая позволяет обеим половинам синусоидальной волны преобразовываться в пульсирующий постоянный ток.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель не требует трансформатора с отводом от средней точки.
В нем используются диоды с более низким напряжением, чем в схеме двухполупериодного выпрямителя с отводом от середины.
Мостовые диоды должны блокировать только половину обратного напряжения по сравнению с трансформаторным диодом с отводом от средней точки при том же выходном напряжении. См. рис. 4.
Когда напряжение положительное в точке A и отрицательное в точке B, электроны текут из точки B через диод D2, нагрузку RL и диод D1 в точку A. Когда напряжение питания переменного тока отрицательное в точке A и положительный в точке B, электроны текут из точки A через диод D4, нагрузку RL и диод D3 в точку B.
Выходное напряжение двухполупериодного мостового выпрямителя Одним из недостатков двухполупериодного мостового выпрямителя является то, что при каждом чередовании постоянный ток в цепи должен проходить через два последовательно соединенных диода. Следовательно, прямое падение постоянного напряжения на двух выпрямителях больше, чем падение на одном выпрямительном диоде.
Однако падение напряжения на кремниевых диодах невелико (0,6 В), и потери обычно допустимы.
Рис. 4. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя.
Измерение напряжения выпрямителяИзмерение напряжения в выпрямителе требует знания некоторых терминов, математики и инструментов, необходимых для проведения точных измерений.
Выпрямитель использует как переменный, так и постоянный ток. Необходимо соблюдать осторожность при измерении переменного и постоянного тока, а также при преобразовании или сравнении любого значения переменного тока со значением постоянного тока. Измерения в выпрямителе обычно проводятся либо с Цифровой мультиметр или осциллограф . Осциллограф может отображать формы сигналов в дополнение к значению напряжения. См. рис. 5.
Рис. 5. Для измерения в цепи выпрямителя можно использовать цифровой мультиметр или осциллограф.
Вы нашли apk для андроида? Вы можете найти новые бесплатные игры и приложения для Android.
Как работают импульсные блоки питания, блок за блоком
Введение
Хотя вы указываете и используете блоки питания в своих проектах, они могут быть «черным ящиком» с неизвестным внутренним устройством. Хотя вам не нужно быть экспертом по проектированию блоков питания, есть преимущества в понимании основных внутренних блоков блоков питания. В этой статье мы представим топологию источника питания и обсудим каждый из внутренних функциональных блоков, чтобы дать общее представление об основных цепях, внутренних для источников питания.
Внутри блоков питания
Блок-схема на рисунке 1 представляет многие блоки питания переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока. Разница в блок-схеме между входными источниками переменного и постоянного тока по сравнению с источниками постоянного тока заключается в выпрямителе с диодным мостом. Схема выпрямителя (диоды D1, D2, D3, D4) требуется в источниках питания переменного/постоянного тока и не требуется для источников питания постоянного/постоянного тока, в противном случае топологии источников питания могут быть идентичными.
Фильтр EMI/EMC
Блок фильтра EMI/EMC может быть либо компонентом, размещенным внутри источника питания разработчиком источника питания, либо добавленным в качестве внешнего компонента пользователем источника питания. Компоненты EMI/EMC могут потребоваться для выполнения следующих функций:
- Минимизация излучаемых и кондуктивных помех на входе источника питания
- Свести к минимуму влияние переходных процессов напряжения от источника входного напряжения
- Минимизировать входной импульсный ток при первой подаче напряжения на вход источника питания
- Защита входного источника питания и проводников в случае отказа источника питания
Если компоненты EMI/EMC являются внутренними для источника питания, команда разработчиков источника питания выбирает компоненты на основе максимального номинального выходного тока при резистивной нагрузке.
Ваше приложение, вероятно, не будет работать в тех условиях, в которых оценивалась команда разработчиков. Таким образом, может возникнуть потребность в дополнительных внешних компонентах, чтобы ваша система соответствовала нормативным требованиям EMI/EMC, даже если в комплект поставки уже входят внутренние компоненты EMI/EMC.
Диодный мостовой выпрямитель
Как упоминалось ранее, диодный мостовой выпрямитель используется для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение для использования в источнике питания. Схема выпрямителя отсутствует в источнике питания, рассчитанном только на входное напряжение постоянного тока, поскольку постоянное напряжение уже присутствует. Однако многие источники питания, рассчитанные на входное напряжение переменного тока, также питаются от входного напряжения постоянного тока. Если постоянное напряжение подается с диодным мостом на входе источника питания, постоянное напряжение может быть подключено в любой полярности и будет проходить через диоды и появляться на входном объемном конденсаторе.
Входной конденсатор большой емкости
Входной конденсатор большой емкости фильтрует постоянное напряжение от выпрямительных диодов в источниках питания переменного/постоянного тока и действует как входной фильтр в источниках питания постоянного/постоянного тока. Когда входное напряжение впервые подается на источник питания, напряжение на входном конденсаторе большой емкости будет равно 0 В. Эта разница в напряжении между приложенным напряжением и напряжением на конденсаторе большой емкости может вызвать большой входной импульсный ток во время зарядки конденсатора большой емкости. к входному напряжению. Этот пусковой ток может быть проблемой, так как он может в 100 раз превышать нормальный входной рабочий ток. Часто ограничитель пускового тока, который может быть простым резистором небольшого номинала, подключается последовательно с клеммой входного напряжения для ограничения пускового тока.
При питании постоянным током входной объемный конденсатор может помочь компенсировать полное сопротивление входных проводников и стабилизировать динамическое входное сопротивление источника питания.
Эта веб-страница содержит более подробную информацию о входном сопротивлении источника питания и о том, как это может вызвать колебания источника питания.
Входной переключатель питания
Электронный переключатель (нарисованный как полевой МОП-транзистор) преобразует входное постоянное напряжение в переменное, чтобы мощность могла проходить через изолирующие магниты (трансформатор или связанные катушки индуктивности). Рабочий цикл входного управляющего сигнала и, следовательно, выходного сигнала от ключа питания зависит от топологии источника питания, входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока нагрузки. В источниках переменного/постоянного тока причиной преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а затем обратно в переменное является то, что внутренняя частота переменного тока намного выше (от десятков килогерц до десятков мегагерц) и, следовательно, можно использовать меньшие магнитные изоляторы и компоненты выходного фильтра.
выбрано. Кроме того, внутренняя форма волны переменного тока может модулироваться как часть топологии преобразования энергии.
Магнитная изоляция
Обычным элементом, используемым для магнитной изоляции, является либо трансформатор, либо связанные катушки индуктивности. В случае трансформатора или связанных катушек индуктивности имеется одна или несколько обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах изолирующего барьера. В физической конструкции изолирующих магнитов будет паразитная емкость между первичной и вторичной обмотками. Эта паразитная емкость может быть источником проблем EMI/EMC, которые необходимо решить и которые будут обсуждаться в отдельной веб-статье. Диаграмма на рисунке 6 представляет паразитную емкость, связанную с обмотками. Следует отметить, что на практике емкость не является сосредоточенным элементом, как показано на диаграмме, а скорее распределяется по обмоткам и между ними.
Рис. 6: Изолирующие магниты с сосредоточенным конденсатором, представляющим паразитную емкостьВыходной выпрямитель
Выходное напряжение изолирующих магнитов имеет форму волны переменного тока и нуждается в выпрямлении для получения выходного напряжения постоянного тока.
Для выпрямления можно использовать либо пассивную схему (диоды), либо активную схему (полевые транзисторы). Схема выпрямления может быть полуволновой, двухполупериодной или другой конфигурации, в зависимости от требований к выходному напряжению и конструкции изолирующего магнита. Диодные выпрямители недороги и просты в конструкции, но рассеиваемая мощность будет больше, чем если бы была реализована активная схема выпрямителя на полевых транзисторах.
Выходной фильтр
Выходной выпрямитель вырабатывает постоянное напряжение, на которое накладывается переменное напряжение. Без выходной фильтрации размах шума переменного тока будет равен напряжению постоянного тока, что неприемлемо для большинства приложений. Базовый выходной фильтр представляет собой один или несколько конденсаторов, помещенных параллельно выходному напряжению. Выходную фильтрацию можно улучшить, добавив последовательную катушку индуктивности для создания фильтра «L» или фильтра «Pi».
Выходной фильтр иногда применяется для подавления электромагнитных помех/электромагнитных помех. Выходные фильтры наиболее эффективны, когда компоненты расположены близко к нагрузке источника питания. Размещение компонентов фильтра близко к нагрузке сводит к минимуму падение напряжения на проводниках, вызванное колебаниями тока нагрузки.
Контроль напряжения, тока и температуры
Цепи для регулирования выходного напряжения, выходного тока и максимальной температуры источника питания также включены в блоки питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока. Эти схемы управления имеют сложный набор характеристик и обсуждаются в отдельной веб-статье.
Заключение
В этом обсуждении внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока были рассмотрены на высоком уровне. В других статьях мы обсуждаем функции, включенные для регулирования выходной мощности источника питания, методы, используемые для защиты источника питания и нагрузки от аварийной работы, компоненты, необходимые для соответствия нормативным требованиям EMI и EMC, а также влияние модификаций на спецификации источника питания.
Если у вас есть вопросы относительно того, как они относятся к источнику питания, выбранному для вашего проекта, обратитесь в отдел продаж и поддержки клиентов CUI для получения дополнительной информации по темам, затронутым в этом обсуждении.
Категории: Основы , Выбор продукта
Вам также может понравиться
Вопросы электромагнитной совместимости для импульсных источников питания
Технический документ
Отрицательное сопротивление и почему ваш преобразователь постоянного тока может работать неправильно —
Блог о мощности
Сравнение изолированных и неизолированных преобразователей мощности
Блог о мощности
Есть комментарии по этому посту или темам, которые вы хотели бы видеть в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog@cui.
com
Встроенный энергоэффективный активный выпрямитель с быстродействующими компараторами, управляемыми смещением, для приложений с индуктивным питанием
- Список журналов
- Рукописи авторов HHS
- PMC3235652
IEEE Trans Circuits Syst I Regul Pap. Авторская рукопись; доступно в PMC 2012 1 января.
Опубликовано в окончательной редакции как:
IEEE Trans Circuits Syst I Regul Pap. 2011 г.; 58 (8): 1749–1760.
doi: 10.1109/TCSI.2010.2103172
PMCID: PMC3235652
NIHMSID: NIHMS340787
PMID: 22174666
Информация об авторе Информация об авторских правах и лицензии Отказ от ответственности
Мы представляем активный двухполупериодный выпрямитель с высокоскоростными компараторами с регулируемым смещением в стандартной КМОП-матрице, который обеспечивает высокую эффективность преобразования мощности (PCE) в диапазоне высоких частот (ВЧ) для устройств с индуктивным питанием.
Этот выпрямитель обеспечивает гораздо более низкое падение напряжения и намного лучший PCE по сравнению с пассивными выпрямителями на кристалле или вне кристалла. Встроенные функции управления смещением в компараторах компенсируют задержки включения и выключения в главных выпрямительных ключах, тем самым максимизируя прямой ток, подаваемый на нагрузку, и минимизируя обратный ток для улучшения PCE. Мы изготовили этот активный выпрямитель в 0,5- μ м 3M2P стандартный процесс CMOS, занимающий 0,18 мм 2 площади чипа. При пиковом входном напряжении 3,8 В переменного тока на частоте 13,56 МГц выпрямитель обеспечивает выходное напряжение постоянного тока 3,12 В на нагрузку 500 Ом, в результате чего PCE составляет 80,2 %, что является самым высоким значением, измеренным на этой частоте. Кроме того, защита от перенапряжения (OVP) в качестве меры безопасности и встроенные возможности обратной телеметрии были включены в нашу конструкцию с использованием методов расстройки и манипуляции со сдвигом нагрузки (LSK) соответственно и протестированы.
Индексы: Активный выпрямитель, обратная телеметрия, высокоскоростные компараторы, имплантируемые микроэлектронные устройства, индуктивная передача энергии, манипуляция со сдвигом нагрузки, управление смещением, RFID
Имплантируемые микроэлектронные устройства (IMD) с питанием от внутренних батарей страдают из-за их большого объема, ограниченного срока службы, сложности замены и стоимость. Поэтому они подходят только для медицинских процедур со сверхнизкими требованиями к мощности, таких как кардиостимуляция, которые продлевают срок службы батареи в диапазоне нескольких лет [1]. С другой стороны, существуют методы лечения, такие как нейропротезы, такие как кохлеарные и ретинальные имплантаты, которые требуют на порядки более высоких токов для стимуляции или записи независимо от эффективности схемы [2]. Существуют также такие приложения, как радиочастотная идентификация (RFID), в которых размер и стоимость ни первичных, ни вторичных (т. е. перезаряжаемых) батарей не оправданы [3].
Чтобы устранить эти ограничения, методы беспроводной передачи энергии с использованием индуктивных линий связи использовались для питания устройств и приложений с ограниченными размерами, стоимостью и мощностью.
Системы с индуктивным питанием обычно состоят из трех основных компонентов: считывателя, индуктивной линии связи и транспондера, как показано на рис. На стороне считывателя, который также является передатчиком мощности, усилитель мощности управляет первичной катушкой L 1 на несущей частоте f c . Этот сигнал индуцируется во вторичной катушке L 2 через индуктивную связь и генерирует переменное напряжение в резонансной цепи транспондера 9.0057 L 2 и C 2 . После бака L 2 C 2 всегда имеется выпрямитель для преобразования сигнала переменного тока в постоянный ( V REC ) для питания остальной части транспондера.
Эффективность и производительность этого выпрямителя, которому посвящена эта статья, являются ключом к общей энергоэффективности системы, поскольку через него проходит вся полезная принимаемая мощность. Поскольку постоянное напряжение значительно зависит от относительного расстояния между катушками, d и выравнивание, регулятор с малым падением напряжения часто следует за выпрямителем для обеспечения постоянного напряжения питания, В DD , для нагрузки IMD или RFID.
Открыть в отдельном окне
Блок-схема имплантируемого микроэлектронного устройства (IMD) с индуктивным питанием с акцентом на схему передачи/кондиционирования энергии.
С учетом потока мощности от внешнего источника энергии (например, батареи) к нагрузке, R LR , the total power conversion efficiency (PCE) can be calculated from
η total = η P A × η link × η rectifier × η regulator
(1 )
, где η PA , η Link , η Выпрямитель и η Регулятор — это Apprictive, Amplifier, indifiref, indifiref.
Достижение более высокого PCE ( η всего ) очень важен в приложениях с индуктивным питанием, поскольку позволяет IMD работать с меньшей принимаемой мощностью на большем расстоянии. Более низкая принимаемая мощность также снижает риск повреждения тканей от перегрева [2]. В приложениях IMD η ссылка ограничена из-за ограничения размера вторичной катушки [4]. Регулятор, с другой стороны, уже имеет высокий η регулятор из-за его топологии с малым падением напряжения. Поэтому усовершенствование выпрямителя PCE ( η выпрямитель ) является ключевым фактором для безопасной работы IMD.
Пассивные выпрямители, использующие диоды или транзисторы с диодным включением, использовались в прошлом для устройств с индуктивным питанием [5]–[9]. Однако диоды с PN-переходом вызывают большие падения напряжения в прямом направлении и рассеивание мощности. Диоды Шоттки имеют низкое падение напряжения [10]. Однако они имеют высокий ток утечки, они недоступны для большинства стандартных КМОП-процессов и могут потребовать дополнительных этапов изготовления.
Их обратное напряжение пробоя также может быть недостаточно высоким. Несколько V Th методы компенсации были предложены для уменьшения падения напряжения на пассивном диоде [11]–[14]. Однако они чувствительны к изменениям процесса и по-прежнему не могут обеспечить высокую PCE. Поэтому активные синхронные выпрямители, использующие выпрямительные ключи, управляемые компаратором, в настоящее время считаются наиболее перспективными решениями для увеличения PCE в ASIC [15]–[24]. В этих выпрямителях падение напряжения на основных выпрямительных ключах намного ниже, чем падение напряжения на диоде, что приводит к рассеиванию меньшей мощности внутри выпрямителя. Ранее мы сообщали об энергоэффективных активных выпрямителях с опережением фазы в [16] и [24]. Однако максимальная рабочая частота этих выпрямителей ограничивалась 1–2 МГц. Активным выпрямителям требуются значительно более быстрые компараторы, чтобы управлять их переключателями в нужное время для более высоких несущих частот, таких как 13,56 МГц в промышленном, научном и медицинском (ISM) диапазоне, и максимизировать прямой ток, минимизируя обратные токи.
В этой статье мы предлагаем интегрированный энергоэффективный активный выпрямитель с быстродействующими компараторами, управляемыми смещением, для приложений с индуктивным питанием. Компараторы оснащены функциями управления смещением для компенсации задержки включения и выключения, оптимизируя передачу мощности от вторичной катушки к нагрузке (регулятору). В разделе II представлены принципы работы и анализ PCE нашей новой архитектуры активного выпрямителя. Раздел III описывает концепцию, реализацию и влияние предлагаемых функций управления смещением на высокоскоростные компараторы. Результаты моделирования и измерений представлены в разделе IV, а выводы — в разделе V.
A. Принцип работы и реализация
Новый двухполупериодный активный выпрямитель использует пару быстродействующих компараторов (CMP 1 и CMP 2 ) для управления основными выпрямляющими элементами ( P 1 и P 2 ) в . В идеальном случае входное напряжение выпрямителя В IN = В IN1 − В IN2 имеет синусоидальную форму волны.
Следовательно, P 1 и P 2 включаются попеременно в зависимости от полярности и амплитуды В В .
Открыть в отдельном окне
Схематическая диаграмма нашего активного выпрямителя, включая высокоскоростные компараторы с управляемым смещением, динамическое смещение тела и функции обратной телеметрии с манипуляцией нагрузки (LSK).
При В В > В ThN (пороговое напряжение NMOS) и | В В | < V Rec , Операция положительной обратной связи пары NMOS с перекрестными связями ( N 1 и N 2 ) подключает V в 2 с V 99955
. N 2 и выключается N 1 . В этом случае выход CMP 2 становится высоким, потому что V REC > V SS и P 2 выключен.
P 1 также остается выключенным, пока | В В | < В РЕК . Когда | В В | > V REC , CMP 1 выход становится низким и включает P 1 . Таким образом, ток течет от В IN1 к В REC и заряжает резистивную/емкостную нагрузку выпрямителя ( R L C L ). In the next half cycle, when V IN < – V ThN , V IN1 is connected to V SS through N 1 , N 2 выключается, и оба P 1 и P 2 также изначально выключены на период | В В | < В РЕК . Затем, после | В В | > В REC , CMP 2 включает P 2 , и ток течет от V 1N2 к В REC для повторного заряда резистивной/емкостной нагрузки.
To avoid latch-up and substrate leakage problems among P 1 and P 2 , potentials at their separated N-well body terminals ( V B1 and V B2 ) должны быть самые высокие потенциалы на кристалле. Мы переняли метод динамического управления смещением тела из [6] и [25], используя вспомогательные транзисторы PMOS, P 3 до P 6 . С помощью этого метода V B 1 и V B 2 автоматически подключаются к наибольшему потенциалу между входными напряжениями, V In1 и V IN2, , и выходным напряжением. V REC , выпрямителя.
B. Обратная телеметрия и защита от перенапряжения
Чтобы добавить возможность обратной телеметрии, которая необходима для информирования читателя о состоянии IMD, передачи измеренных биосигналов или замыкания контура управления питанием [26], [27], мы применили схему манипуляции с нагрузкой (LSK), замкнув вторичную обмотку, L 2 , с сигналом данных короткой катушки (SC) [9].
Пара коммутаторов NMOS, N 3 и N 4 , была добавлена параллельно коммутаторам с перекрестной связью N 1 и N 2 соответственно. Когда сигнал данных высокий, входные узлы выпрямителя закорочены, что приводит к увеличению добротности вторичной обмотки Q 2 и повышению напряжения на первичной обмотке л 1 . Обратные данные телеметрии от транспондера к считывателю обнаруживаются путем обнаружения этих изменений во внешнем блоке обнаружения LSK в формате .
В В сильно зависит от взаимной связи катушек, М , что в свою очередь сильно зависит от разделения катушек, d , и соосности [4]. Изменения нагрузки также изменяют Q 2 и влияют на V IN , даже если M является постоянным. Неожиданные вариации в M и R LR могут привести к превышению безопасных пределов напряжения V REC , что может привести к выходу из строя транзистора.
Чтобы предотвратить эту проблему, мы добавили в выпрямитель схему защиты от перенапряжения (OVP) путем сравнения четверти V REC с постоянным опорным напряжением. Когда В IN превышает определенный уровень, на выходе компаратора появляется высокий уровень и расстраивающий конденсатор ( C ovp) добавляется параллельно во вторичной цепи бака, как показано на рис. , чтобы уменьшить V IN путем его расстройки. Преимущество этого метода по сравнению с методами, основанными на утечке тока [10], заключается в том, что в результате применения этой меры безопасности внутри ASIC и IMD не рассеивается дополнительное тепло.
C. Анализ и рассмотрение PCE
PCE зависит от размера пар выпрямляющих PMOS и NMOS с перекрестной связью, поскольку эти транзисторы находятся на пути основного тока. Например, когда V In1 — V IN2 > V REC , P 1 и N 2 Turn On Turn On и Open Topt Take, как показано в нагрузке.
В этом случае общая потеря мощности, P Loss; total , будет преобладать при переключении потерь P 1 ( P Loss, Cgp
). Поскольку затвор N 2 всегда подключен к входному узлу выпрямителя, потери на переключение при зарядке и разрядке емкости затвора N 2 пренебрежимо малы. Таким образом, P Потери, всего могут быть приблизительно равны
Открыть в отдельном окне
Упрощенная принципиальная схема активного выпрямителя с изображением пути тока и компонентов, рассеивающих мощность при В IN1 – В IN2 > В
REC11 где Cgp∗ — емкость затвора на единицу ширины P 1 , f c — несущая частота (13,56 МГц), D eff — эффективный рабочий цикл, включая задержку компаратора, W p — ширина 5 P p 1 .
В этой схеме для простоты мы приняли Вт n = Вт p . Однако мы также доказали в [24], что оптимальное соотношение размеров PMOS и NMOS транзисторов может быть найдено из
(WpWn)opt=Kn·(VREC−VThN)Kp·(VREC−∣VThP∣)
(3)
где K p =μ p C
ox n = μ n C ox — крутизны PMOS и NMOS соответственно. Следует отметить, что хотя больший размер транзистора уменьшает потери R на , он увеличивает коммутационные потери и задержки компаратора из-за большей емкости затвора. Поэтому основные выпрямительные транзисторы имеют оптимальные размеры для минимальной рассеиваемой мощности в зависимости от f c и R L , что также должно соответствовать общей площади микросхемы, отведенной под выпрямитель [24].T PCE и T PLH , задержки включения и выключения CMP 1,2 , влияют на PCE выпрямителя, поскольку эти задержки мешают переключениям
8 P
от включения и выключения в нужное время и вызвать обратный ток.
Наша модель учитывает размер выпрямительных транзисторов и задержки компаратора для оценки максимальной PCE. В приложении мы определили W p , R onp + R onn , and D eff as functions of the switching duty cycle (D) , T PHL , and T PLH , и дифференцировать (2) по отношению к D для минимизации P Потери, всего . С потерями мощности из (2) мы можем оценить максимальную PCE выпрямителяηвыпрямитель=PLoadPLoad+PLoss,total+2PComparator
(4)
где P Нагрузка — выходная мощность, а P компаратор — общая потребляемая мощность каждого компаратора без учета потребляемой мощности зарядки и разрядки P 1,2 вентиля, который уже имеет учтено в P Убыток.итого .
показывает расчетную PCE выпрямителя в зависимости от Вт p для различных задержек компаратора, используя параметры из ON Semi 0,5- мкм мкм стандартный процесс CMOS.
В этом расчете мы предполагаем, что P Нагрузка = 20 мВт, В REC = 3,2 В, R L = 500 Ом, а P 9009 компаратора = мВт,10018 . по результатам моделирования. Видно, что при Вт p = 2100 мк м и T PHL = T PLH = 0 нс выпрямитель достигает наибольшего КПД 92%. Это теоретический верхний предел для PCE, который можно получить, выбрав оптимизированную ширину транзистора и устранив эффект задержки компараторов, используя высокоскоростные компараторы с управляемым смещением, которые описаны в разделе III.
Открыть в отдельном окне
Расчетная эффективность преобразования мощности выпрямителя (PCE) в зависимости от Вт p в зависимости от задержек компаратора при В REC = 3,2 В и Ом = 5,2 В L L Кривая-а: T PHL = 0 нс и T PLH = 0 нс; Кривая-b: T PHL = 5 нс и T PLH = 0 нс; Кривая-c: T PHL = 0 нс и T PLH = 3 нс; Кривая-d: T PHL = 3 нс и T PLH = 3 нс; Кривая-e: T PHL = 0 нс и T PLH = 4 нс; и Кривая-f: T PHL = 4 нс и T PLH = 4 нс.
A. Концепция функции управления смещением
Для управления большими выпрямительными PMOS-транзисторами на высокой рабочей частоте 13,56 МГц требуются быстродействующие компараторы с низким энергопотреблением и высокой мощностью управления. Обычно скорость работы компаратора ограничивается его задержкой распространения, T P , то есть как быстро выход реагирует на изменение на входе. В этом приложении выпрямителя задержка распространения компаратора неблагоприятно влияет на PCE. Из-за T PHL компараторы включают P 1,2 слишком поздно и уменьшают входную мощность, которая в противном случае могла бы передаваться на нагрузку во время этой задержки. Более того, из-за T PLH компараторы отстают в выключении P 1,2 , и ток может мгновенно течь от C L обратно во вторичную обмотку, когда В IN < В REC .
Поскольку невозможно уменьшить T P до нуля, для преодоления таких ограничений мы использовали функцию управления смещением в высокоскоростных компараторах, используемых в этом выпрямителе. показана блок-схема этого компаратора, который состоит из компаратора с общим затвором (CG Cmp), двух блоков управления смещением (Offset F и Offset R ), а также инверторы с недостаточным током (CS). Блоки управления смещением подают программируемый ток смещения, OS F и OS R , на входы компаратора CG поочередно в зависимости от состояния сигналов обратной связи V OUT , FB F и FB R . Таким образом, V OUT ускоряет нисходящий или восходящий переход, обнаруживая их заранее.
Открыть в отдельном окне
Блок-схема высокоскоростного компаратора, использующего функции управления смещением для падающих и нарастающих переходов V OUT переходов.
Сегмент-(a) in показывает падающий V OUT переход, происходящий, когда | В В | = | В IN1 – В IN2 | > В РЕК . В этот момент выход компаратора CG, В OUT , попадает на включение P 1 (или P 2 ). FB F имеет низкий уровень в течение этого периода, и только блок Offset F работает для подачи тока смещения на отрицательный вход компаратора CG. С помощью Offset F , V OUT можно заставить упасть еще раньше | В В | превышает В REC в конце сегмента-а, компенсируя задержку включения компараторов. Однако важно отметить, что Offset F должен быть отключен после падающего перехода V OUT , чтобы он не влиял на следующий восходящий переход V OUT .
В противном случае Offset F может задержать нарастающий переход V OUT , что является контрпродуктивным. Вот почему в блоке Offset F поступает сигнал обратной связи от V OUT и корректно отключается после каждого выпадающего перехода В ВЫХОД .
Открыть в отдельном окне
Моделированные формы сигналов и временная диаграмма, показывающая работу блоков управления смещением в высокоскоростных компараторах.
С другой стороны, во время восходящего перехода V OUT в сегменте-(b), когда | В В | < V REC , FB R , который стал низким после падения V OUT , включает смещение Р блок. Блок Offset R подает ток смещения на положительный вход компаратора CG и может заставить V OUT начать повышаться еще до | В В | падает ниже В РЭК .
Это помогает P 1 (или P 2 ) отключаться в нужное время и предотвращает обратный ток.
Если блок Offset R включается сразу после V OUT начинает падать, этот механизм мгновенной отрицательной обратной связи препятствует полному падению V OUT и заставляет V OUT колебаться. Чтобы избежать этой проблемы, мы добавили в контур обратной связи два инвертора с недостаточным током, чтобы добавить задержку между переходами V OUT , FB F и FB R , тем самым обеспечив стабильную обратную связь компаратора. операция. Эта задержка не обязательно должна быть точной, если она меньше одного периода цикла несущей. Это приводит к короткому периоду, сегмент-(c), в течение которого оба смещения 9Блоки 0057 F
и Offset R включены.B. Реализация схемы
показывает принципиальную схему высокоскоростного компаратора с двумя функциями управления смещением, смещением F и смещением R .
Без учета блоков управления смещением и инверторов CS, он в основном работает как простой компаратор с общим затвором с возможностью запуска [15]. Два входных напряжения, В REC и В ИН1 , применяются к истокам входных транзисторов, Р 7 и Р 8 соответственно. Когда В IN1 > В REC , ток, протекающий через P 8 , становится больше, чем через P 7 . Таким образом, напряжение затвора выходного инвертора В А быстро возрастает, а В ВЫХ падает до 9-го витка.0057 P
Например, когда В OUT высокий, P 15 включается, и ток смещения течет в положительную входную ветвь компаратора ( V REC ) через OS 10092 F 90 увеличить. Следовательно, V OUT начинает падать раньше, чем V IN1 превышает V REC . Ток смещения программируется с помощью 2-разрядных внешних управляющих сигналов на каждый блок управления смещением, CTL0:1 и CTL2:3, чтобы регулировать синхронизацию выпрямителя в ответ на изменения процесса.Открыть в отдельном окне
Схема высокоскоростного компаратора с двумя функциями управления смещением, смещением F для V OUT заднего фронта и смещением R 9 для
2 OUT нарастающий фронт.C. Влияние функций управления смещением на PCE
Результаты моделирования, иллюстрирующие взаимосвязь между функциями PCE и управления смещением, показаны на рис.
Чтобы лучше понять влияние функций управления смещением, мы наложили входные/выходные напряжения выпрямителя, входной ток и входную мощность при настройке В IN Амплитуда для достижения постоянной амплитуды В OUT = 3,2 В для R L = 500 Ом. показывает, что без функции управления смещением компаратора обратный ток, возникающий из-за задержки выключения, сильно ухудшает PCE. Этот обратный ток можно предотвратить, используя функцию Offset R , как показано на рис. Несмотря на то, что Offset R значительно улучшает PCE, входная мощность выпрямителя все еще снижается из-за задержки включения компараторов, Т ПХЛ . Таким образом, есть возможности для дальнейшего улучшения PCE выпрямителя, а также эффективности преобразования напряжения (VCE) с помощью функций Offset F и Offset R для компенсации T PHL и T .
PLH задержки соответственно. ясно показывает, что при использовании обеих функций V OUT переходы происходят в нужное время, и PCE максимизируется.
Открыть в отдельном окне
Результаты моделирования активного выпрямителя, показывающие формы входных/выходных напряжений, входного тока и входной мощности при В REC = 3,2 В и R L = 500 Ом, (a) без какой-либо функции управления смещением, (b) только с функцией смещения R и (c) с обеими функциями смещения F и смещением R .
Поскольку блоки управления смещением потребляют дополнительную мощность для обеспечения токов смещения, необходимо учитывать дополнительную мощность для использования этих функций. показывает смоделированное энергопотребление компаратора по сравнению с V REC и его разбивка между двумя блоками. Когда V REC увеличивается, потребляемая мощность компаратора CG, кривая-(b), также увеличивается, обеспечивая большую часть потребляемой мощности компаратора, кривая-(a).
Это связано с тем, что как статический ток компаратора CG, так и сквозной ток выходного инвертора увеличиваются с увеличением V REC . Более того, поскольку смещения компаратора настроены на В REC = 3,12 В, энергопотребление возрастает при более высоких значениях V REC . С другой стороны, кривая (c) показывает, что энергопотребление блоков управления смещением незначительно увеличивается при увеличении V REC . Это связано с тем, что блоки управления смещением потребляют только динамическую мощность в течение короткого периода времени. При В РЭК = 3,12 В весь быстродействующий компаратор потребляет 135 мк Вт, из которых 40 мк Вт приходится на мощность, потребляемую блоками управления смещением. Полная потребляемая мощность компаратора мало зависит от условий нагрузки, пока В REC фиксированный.
Открыть в отдельном окне
Смоделированная потребляемая мощность компаратора по сравнению с В REC , показывающая избыточную мощность для использования функций управления смещением (f c = 13,56 МГц,
1 500 Ом и C L = 10 мк F).
Кривая (а) показывает общую потребляемую мощность высокоскоростного компаратора, (б) — потребляемую мощность компаратора CG и инверторов CS, а (в) — потребляемую мощность блоков управления смещением.D. Возможность запуска
Поскольку до начала работы активного выпрямителя напряжение питания отсутствует, необходимо, чтобы выпрямитель имел возможность самозапуска. Наш быстродействующий компаратор, показанный на рис. , имеет входной каскад с общим затвором, в котором два входных напряжения компаратора, В IN1 и В REC , также являются положительными напряжениями питания. Отсюда синусоидальное входное напряжение выпрямителя, В IN1,2 , гарантирует надежный запуск выпрямителя даже до того, как В REC будет достаточно заряжен. For example, when V REC = 0 V, the input voltage of the output inverter, V A , follows V IN1 through P 8 , since N 6 выключен.
Следовательно, когда В IN1 > В ThN 7 , В OUT компаратора будет подключен к V SS через N 7 , что приведет к включению и заряду выпрямительного PMOS V REC .
Since the comparator bias current is generated by P 7 – P 9 – N 5 branch, it properly turns on when V REC > V ThP 7 + В ТН 5 . С другой стороны, когда 0 < V REC < V THP 7 + V THN 5 , сравните по -прежнему поворачивается на прямое PMOS FOR DINECRINGTY TO . REC , как объяснялось выше, но не отключает их в нужный момент, что приводит к обратному току. Теперь, если В В , пик достаточно высокий (> 2,9 В в нашей конструкции), то его будет достаточно для зарядки V REC превзойти уровень V THP 7 + V THN 5 даже при наличии противотока.
Во время зарядки В РЭЦ напряжение затвора Н 5,6 также увеличивается, а В А уменьшается для выключения выпрямляющего ПМОП в течение В В РЕК . Более того, работа компаратора и PCE выпрямителя приближаются к своим оптимальным точкам по мере того, как V Rec Увеличение к целевому значению 3,12 В. Поэтому, один раз V Rec превышает V THP 7 + V THN 5 , IT BREAK до 3,12 В. показаны смоделированные формы сигналов для процесса самозапуска выпрямителя, который гарантирует, что В REC заряжается до 3,12 В, когда В IN,пиковое = 3,4 В (3,8 В в измерениях). В этой конструкции для входного напряжения В IN , пик = 2,9 В (3,2 В в изм.), неоптимальная работа выпрямителя приводит к В REC = 2,5 В.
Для самостоятельного запуска работы активного выпрямителя (F C = 13,56 МГц, V в , P EAK = 3,4 В, V Rec = 3,12 V R 9888 8. 3,12 V R 88888. = 500 Ом и C L = 2,5 нФ).
Активный выпрямитель был изготовлен по стандартному КМОП-процессу ON Semiconductor 0,5- мкм м 3M2P (минимальная длина транзистора 0,6 мкм м) из-за его способности работать с относительно высоким напряжением. показана микрофотография микросхемы, которая включает в себя активный выпрямитель, схему защиты от перенапряжения и стабилизатор с малым падением напряжения, занимающий 0,4 мм 2 площади Si с Wp/L p = W n /L n = 2100 мк м/0,6 мк м. Поскольку каждую функцию управления смещением компаратора можно включить или отключить с помощью внешних линий управления, мы смогли оценить производительность выпрямителя с функциями смещения компаратора и без них.
Открыть в отдельном окне
Микрофотография изготовленного чипа и его план, включая активный выпрямитель, схему защиты от перенапряжения и стабилизатор с малым падением напряжения.
A. Измеренные формы сигналов и паразитные эффекты
показывает сосредоточенную модель схемы, используемой при измерениях выпрямителя, с акцентом на индуктивные и емкостные паразитные компоненты, которые в сочетании с паразитными параметрами измерительного прибора (осциллографа) вызывают искажение измеряемых сигналов. на этой относительно высокой рабочей частоте ( f c = 13,56 МГц). Например, когда выпрямитель начинает проводить ток, происходит резкое падение В IN1 – В IN2 , а когда он перестает проводить ток, запасенная энергия в катушках индуктивности межсоединений вызывает внезапный скачок напряжения на выпрямителе. входы. Поэтому важно отметить, что напряжения, измеренные на катушке или нагрузке, В XY , не совсем совпадают с напряжениями, измеренными на выводах интегральной схемы выпрямителя.
VXY* (LQFP176). Например, L связь , паразитная индуктивность провода, и L провод , паразитная индуктивность внешних межсоединений, вызывают входное напряжение выпрямителя на корпусе,
VIN1∗−VIN2∗, должны быть искажены и иметь пиковое напряжение выше синусоидального входного напряжения на вторичной обмотке, В IN1 – В IN2 .
Открыть в отдельном окне
Сосредоточенная модель схемы, используемой в моделировании активного выпрямителя, показывающая емкостные и индуктивные паразитные компоненты проводного соединения и внешних межсоединений. Важно отметить, что из-за этих паразитных напряжений, измеренных на катушке или нагрузке, V Xy , не совсем совпадают с измеренными на пакете asic (lqfp176), V Xy *.
Кроме того, мгновенный входной ток поступает в выпрямитель через паразитные катушки индуктивности только во время включения выпрямителя, что значительно короче одного рабочего цикла (см.
Поэтому частотные составляющие, влияющие на паразитные катушки индуктивности и искажающие напряжение формы сигналов, фактически намного выше, чем несущая частота на 13,56 МГц.К сожалению, этот эффект не рассматривался в недавней литературе по активным выпрямителям, и, следовательно, в зависимости от того, как выполняются измерения, опубликованные результаты по эффективности выпрямителя могут иметь был оптимистичен
показывает кривые входного и выходного напряжения активного выпрямителя. В этих измерениях мы воздерживались от прямого измерения V OUT , потому что это может нагрузить и повлиять на работу компаратора. Вместо этого C L было уменьшено с 10 мкФ до 100 пФ, чтобы лучше показать влияние функций контроля смещения. Для всех измерений и симуляций в этом разделе мы включили Offset R , чтобы предотвратить обратные токи. Когда смещение F функция была включена, V REC начала увеличиваться на ~ 5 нс раньше, чем без Offset F .
Это сравнение, которое согласуется с результатами моделирования, показывает, что компараторы включают выпрямитель быстрее, чтобы обеспечить ток в течение более длительного периода времени. Таким образом, функция Offset F не только улучшает PCE, но и снижает падение напряжения выпрямителя, V drop , который определяется как разница между В IN1,Peak * и В REC . Также имеется небольшой фазовый сдвиг между пульсациями на В РЭК и В В1,2 * из-за паразитных составляющих.
Открыть в отдельном окне
Измеренные формы входных и выходных напряжений выпрямителя со смещением и без него F Функция ( f c = 13,56 МГц, В IN,пик = 4,1 В, R L = 500 Ом и C L = 100 пФ).
B. Измерение PCE и напряжения падения
Мы измерили PCE и В падение путем свипирования 1) В REC ;2) R L ; и 3) ф с .
Для измерения входного тока выпрямителя мы подключили небольшой резистор, R Чувствительность = 10 Ом, последовательно с входом выпрямителя в качестве датчика тока и дифференциально измеренное напряжение на нем. Входная мощность выпрямителя вычислялась в автономном режиме путем интегрирования мгновенного произведения выборок входного тока и напряжения. Выходная мощность для PCE была получена путем измерения В REC , RMS . Пиковое входное напряжение, В IN , Пик , может быть выражено как сумма В РЭК и В падение .
shows the measured and simulated PCE and V drop versus V REC with C L = 10 μ F, R L = 500 Ω, and f в = 13,56 МГц. Все смоделированные результаты в этом разделе являются постмакетными и включают предполагаемые паразитные компоненты пакета LQFP176 (см.
Ресурсы). показывает, что для В REC = 3,12 В, максимальная PCE с обеими функциями контроля смещения составила 80,2% (кривая-b), что немного ниже, чем максимальная PCE, смоделированная после компоновки, равная 84,5% (кривая-a) и схематически смоделированная PCE 87% из-за влияния паразитных помех и токоизмерительного резистора. Измеренная PCE без смещения F (кривая-c) примерно на 10% ниже, чем PCE со смещением F . Когда В REC было выше или ниже 3,12 В, PCE постепенно уменьшалась, поскольку смещения компаратора регулировались только на V REC = 3,1–3,2 В. Для других значений V REC смещения компаратора можно легко отрегулировать с помощью CTL0:3 в .
Открыть в отдельном окне
Измеренные и смоделированные (a) PCE и (B) V DROP против V Rec Когда R L = 500 ω, C L = 500 ω, C L 888 = 500 ω, C L 8888 = 500 Ω, C L В мерное V drop со смещением F (кривая-b) показывает падение напряжения 0,7 В, что на 0,4 В выше, чем смоделированное V падение со смещением F . Это связано с увеличением индуктивности межсоединений.
VIN1,пик*, как объяснялось ранее. Например,
VIN1,peak* был измерен на ~ 250 мВ выше, чем V IN1,Peak после короткого замыкания R смысл . Включив эти паразитные катушки индуктивности в наше моделирование ( L связь + L проволока = 25 нГн), мы смогли проверить причину V падения вариаций, получив результаты (кривая-d), которые были ближе к измеренным V падение (кривая-б). В Падение также зависит от выходного тока, I REC и PCE. В , выше V REC с фиксированным R L требуется выше I REC через выпрямитель, который создает большее падение напряжения на выпрямительных транзисторах, увеличивая В падение . показывает измеренную и смоделированную PCE по сравнению с R L с C L = 10 мк F, В REC = 3,12 В, и f c 9005 При увеличении R L выходная мощность выпрямителя для тех же V REC уменьшается. Таким образом, внутренние потери мощности выпрямителя для потерь на переключателях P Loss, total и компараторов P comparator становятся более значительными в (4) и уменьшают PCE. Измеренные и смоделированные V падение по сравнению с R L в показывает, что V падение уменьшается при увеличении R L . Открыть в отдельном окне Измерено и смоделировано (a) PCE и (b) V падение по сравнению с R L с В REC = 3,12 В, C L = 10 мк F и f c = 13,56 МГц. показывает измеренный и моделируемый PCE против F C с C L = 10 μ F, V REC = 3,12 В и R L = 5,12 В и R . Размеры транзистора и смещения компаратора нашего выпрямителя были оптимизированы для работы на частоте 13,56 МГц. Следовательно, PCE уменьшается на более высоких частотах из-за задержек компаратора. На более низких частотах PCE также немного уменьшается, так как фиксированное смещение компаратора раньше выключает выпрямитель. Открыть в отдельном окне Измерено и смоделировано (a) PCE и (b) V падение по сравнению с f c с V REC = 3,12 В, C L = 10 мк F и R L = 500 Ом. Чтобы продемонстрировать возможности встроенной обратной телеметрии нашего активного двухполупериодного выпрямителя, мы применили случайный поток битов последовательных данных со скоростью 500 кбит/с и длительностью импульса 0,2 мкс с (10% коэффициент заполнения). Открыть в отдельном окне Измеренные осциллограммы, показывающие встроенную в активный выпрямитель возможность обратной телеметрии LSK через его входную клемму с короткой катушкой (SC) (сигнал данных = 500 кбит/с с коэффициентом заполнения 10 %, R L = 500 Ом и C L = 10 мк F). Данные были восстановлены через первичную катушку с использованием коммерческого считывателя RFID ASIC (TRF7960, Texas Instruments, Даллас, Техас). Дополнительные технические характеристики активного выпрямителя и LDO
= 10 мк F и f c = 13,56 МГц.
Кроме того, выпрямитель с более низким PCE требует большего тока от катушки, чтобы достичь определенного В REC , что также увеличивает падение В . В целом результаты измерений и моделирования ясно показали, что V падение уменьшается при использовании обеих функций управления смещением.
Это связано с тем, что более крупные R L требуют меньших I REC , что приводит к меньшему падению напряжения на выпрямительных транзисторах.
показывает измеренные и смоделированные V падение против f c . Несмотря на то, что I REC в этих экспериментах фиксировано, изменение PCE по частоте также влияет на падение V . Следовательно, более низкий PCE на более высоких частотах приводит к большему V падению . C. Измерения обратной телеметрии
цикла) к входной клемме короткой обмотки выпрямителя (SC) (см. ). Пара плоских спиральных катушек с d = 4 см использовалась аналогично установке, описанной в [26] (см. и ). Данные обратной телеметрии LSK были восстановлены с помощью коммерческого RFID-считывателя ASIC (TRF79).60) от Texas Instruments (Даллас, Техас). В , измеренные осциллограммы сверху показывают сигнал данных, подаваемый на SC, напряжения на нагрузке ( R L C L = 500 Ом||10 μ F), вторичной обмотке ( В IN1 ), первичная катушка ( V L 1 ) и восстановленный битовый поток последовательных данных на выходе TRF7960, который имеет задержку ~ 1,2 мкс с относительно SC. Короткое замыкание L 2 с SC = High in приводит к внезапному падению В IN1 и увеличенный ток в L 1 , что также увеличивает напряжение на L 1 [9].
Колебания тока и напряжения в L 1 обнаруживаются считывателем RFID и демодулируются с помощью амплитудной манипуляции (ASK) для восстановления данных обратной телеметрии LSK. Это видно по тому, что В РЭК остается постоянной во время работы ЛСК из-за большой С L (10 мк Ф) и малой скважности СК (10%). ТАБЛИЦА II
V ThN / V ThP 0. 
78 V/0.92 V Nominal rectifier output power 20 mW Minimum rectifier input voltage 3.2 V (2,9 В * ) Конденсатор отторжения пульса2405 Comparator power consumption 135 μW * Comparator turn-on delay with Offset F 0.75 ~ 1.5 ns * Comparator turn-off delay with Offset R −0,7 ~ 0,5 нс * Диаметр первичной катушки/Индуктивность ( L 1 ) 16. 
8 CM/0,88 Qu0057 L 2 ) 3.0 cm/0.41 μH LDO/BGR current consumption 17μA * /7μA * LDO output/dropout voltage 3V/150mV Size of rectifying switches ( W p /L p = W n /L n ) 2100 μm/0.6 μm Total area on chip 0.4 mm 2
Открыть в отдельном окне
* Из моделирования
D.
Измерения защиты от перенапряжения Схема OVP активируется, когда V Rec увеличивается выше. = 4,4 В, что определяется путем сравнения 0,25 В РЭЦ с опорным напряжением, В РЭЦ = 1,1 В, формируемым регулятором. Компаратор в коннектах C OVP до V SS для отклонений резонансной частоты L 2 C 2 от 13,56 МГц и уменьшение V . РЕК . Однажды V Rec снижается, C OVP отключается, а L 2 C 2 CAN REC -обратно в 13,56 МГц, если V .0092 > В порог постоянное состояние.
Этот механизм с обратной связью регулирует В REC около В порога до тех пор, пока входное напряжение слишком велико, без рассеивания дополнительного тепла внутри выпрямителя. Однако величина отклонения частоты зависит от значения C ovp . Чтобы справиться с более высокими входными напряжениями, требуются более крупные C ovp . показывает измеренное В REC против V L 1 для двух значений C ovp . Видно, что при девиации частоты, полученной от C ovp = 40 пФ, выпрямитель может быть защищен от V L 1 до ~ 60 В, а C 2 ovp 120 пФ могут защитить выпрямитель от напряжения В L 1 до ~ 68 В. На практике В L 1 часто остается постоянным, и внезапное уменьшение d или I REC активирует цепь OVP.
Открыть в отдельном окне
измерено V REC против первичного напряжения катушки, V L 1 , с защитой от чрезмерного возвышения (OVP) в использовании C 19192 = 12092 = 12092 = 12092 ovltage v (OVP). кривая-a), C ovp = 40 пФ (кривая-b), и без защиты от перенапряжения (кривая-c) при R L C L — 500 Ом||10 мк F.
E. Обзор производительности и сравнение
показывает сравнительную таблицу двухполупериодного выпрямителя, сравнивающую нашу работу с выпрямителями, о которых сообщалось ранее. Можно видеть, что, несмотря на относительно большую длину конструктивного элемента и размер, описанный здесь активный выпрямитель, насколько нам известно, обеспечивает самый высокий измеренный PCE = 80,2%, когда-либо зарегистрированный на частоте 13,56 МГц, благодаря своим высокоскоростным компараторам, которые оснащен функциями управления смещением как для нарастающих, так и для спадающих фронтов.
При входном пиковом напряжении 3,8 В этот выпрямитель может обеспечить мощность более 20 мВт при В REC = 3,12 В, что требуется для мощных ИМД, таких как имплантируемая многоканальная беспроводная нейронная система регистрации и стимуляции, разрабатываемая в нашей лаборатории [26]. Укорачивая соединение между L 2 и входным портом выпрямителя, когда они оба встроены в IMD, и, таким образом, уменьшая паразитные компоненты, показанные на , мы ожидаем, что PCE выпрямителя приблизится к смоделированному уровню 87%. Кроме того, ожидается, что переход к процессу с меньшей длиной элемента еще больше улучшит PCE и полосу пропускания за счет снижения пороговых напряжений и задержек компаратора. суммирует некоторые дополнительные характеристики выпрямителя и LDO, которые не указаны в .
Таблица I
Полноволновый выпрямитель. [17]
35 μm CMOS
25
3
2~1.5
4 Открыть в отдельном окне как RFID и IMD.
Главные выключатели в этом выпрямителе управляются парой компараторов, которые удерживают их замкнутыми именно тогда, когда0091 REC , при этом компенсируя задержки распространения компараторов при включении и выключении с помощью пары программируемых смещений. В результате выпрямитель проводит максимально возможный период времени и отдает в нагрузку максимальный прямой ток, минимизируя обратный ток.
Кроме того, размеры выпрямительных транзисторов были оптимизированы для минимизации их R на и коммутационных потерь на рабочей частоте выпрямителя. Мы сообщили о самом высоком измеренном PCE, равном 80,2%, при выходном напряжении 3,12 В постоянного тока на нагрузке 500 Ом при входном напряжении 3,8 В переменного тока на частоте 13,56 МГц. Встроенная в выпрямитель возможность обратной телеметрии LSK может использоваться для связи, например, для создания системы беспроводной передачи энергии с замкнутым контуром для регулировки передаваемой мощности для постоянного выходного напряжения выпрямителя [27].
Выпрямитель также оснащен схемой защиты от перенапряжения на основе расстройки, которая является необходимой функцией безопасности в ситуациях, когда входной сигнал выпрямителя становится слишком большим из-за слишком близкого расположения катушек или слишком малого тока нагрузки.
Эта работа была частично поддержана грантами Национального института здравоохранения 1R01NS062031, 5R21EB009437 и Национальным научным фондом в рамках премии ECCS-824199. Этот документ был рекомендован помощником редактора Дж. С. Чангом.
Авторы хотели бы поблагодарить М. Киани за помощь в настройке задней телеметрии, У. Джоу за проектирование катушек, а также других сотрудников GT-Bionics Lab за их конструктивные комментарии.
Хён-Мин Ли (S’06) получил B.S. высшее электротехническое образование ( с отличием ) Корейского университета в Сеуле в 2006 г. получил степень в области электротехники в Корейском передовом институте науки и технологий (KAIST), Тэджон, в 2008 году.
С 2009 года он работает в лаборатории GT-Bionics на факультете электротехники и вычислительной техники в Технологическом институте Джорджии, Атланта. где он работает над докторской степенью. степень.
Его исследовательские интересы включают аналоговые/смешанные интегральные схемы и интегральные схемы управления питанием для биомедицинских имплантируемых систем.
Г-н Ли получил Серебряный приз на 16-й Премии за диссертацию в области гуманитарных технологий от Samsung Electronics, Корея, и Почетную награду на 4-й Премии за выдающиеся студенческие исследования от TSMC, Тайвань, обе в 2010 году.
Maysam Ghovanloo (S’00–M’04–SM’10) родился в 1973 году в Тегеране, Иран. Он получил B.S. степень в области электротехники Тегеранского университета, Тегеран, Иран, в 1994 г. степень магистра наук. степень в области биомедицинской инженерии Технологического университета Амиркабир, Тегеран, в 1997, и М.С. и доктор философии получил степень в области электротехники в Мичиганском университете в Анн-Арборе в 2003 и 2004 годах соответственно.
С 2004 по 2007 год он был доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина, Роли. Он поступил на факультет Технологического института Джорджии в Атланте в 2007 году, где в настоящее время является доцентом и директором-основателем Лаборатории бионики Технологического института Джорджии в Школе электротехники и вычислительной техники. Он является автором или соавтором более 80 конференций и журнальных публикаций.
Д-р Гованлоо является помощником редактора IEEE Transactions on Circuits and Systems — Part II: Express Briefs and IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. Он получил награды на 40-й и 41-й конференциях Design Automation Conference (DAC)/International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) конкурсах студенческого дизайна. Он организовывал специальные сессии и был членом комитетов по техническому обзору на нескольких крупных конференциях, таких как ISSCC и ISCAS, в области биомедицинских цепей, датчиков и систем.
Он является членом Tau Beta Pi, Sigma Xi и Общества твердотельных схем IEEE, Общества схем и систем IEEE и Общества инженеров IEEE в медицине и биологии.
В этом разделе мы получаем (2) и (4) для анализа PCE с использованием упрощенных форм сигналов выпрямителя, показанных на . D — рабочий цикл переключения выпрямителя, D заряд — рабочий цикл заряда, T = 1/2 f c — период двухполупериодного выпрямленного сигнала, T PHL и T PLH — задержки при переходах с высокого на низкий и с низкого на высокий уровень выходного сигнала компаратора ( В OUT ) соответственно. В этой модели мы предполагаем: 1) V IN синусоидальная, 2) R L постоянная, 3) C L достаточно большая, чтобы поддерживать V REC 9 почти постоянной несмотря на работу выпрямителя, и 4) время нарастания и спада выходного сигнала компаратора незначительно по сравнению с T (или они были включены в T PHL и T PLH 9009).
2) . Выпрямитель включается (то есть, проводит) из T A до T D = DT и выключает от T D до T E = T — DT . Предполагается, что дополнительный заряд, сохраняющийся в C L в течение DT , поддерживает В REC постоянным, пока выпрямитель питает R L в течение всего периода 0058 . Поэтому
Открыть в отдельном окне
Упрощенные формы сигналов напряжения активного выпрямителя, используемые в теоретическом анализе ФХЭ. Для упрощения уравнений мы приняли Δ В → 0 В. 5)
где T a = (T – DT + T PHL + Tp LH )/2 , T d 5 0 7 + 9009 5 = (T 8 0 5 + 9009 T PHL + T PLH ) 2 и T E = (3 T — DT + T PHL + T PLH )/ 2.
Синусоидальное входное напряжение, В IN , может быть выражено как
VIN(t)=VIN,peaksin(πTt)=VRECsin((Ta−TPHL)πT)sin(πTt).
(6)
Используя (6) в (5), R onp + R onn можно выразить как функцию D
Ronp+Ronn=RL(1π(cos(TaπT)−cos(TdπT))sin((Ta−TPHL)πT)−D).
(7)
Если T PLH = 0,. D зарядка будет такой же, как D , потому что выпрямитель подает только R L C L в течение периода его проведения. Однако при T PLH > 0 обратный ток может разрядить C L , когда V REC > | В В |. In , the back current from T c to T d (D 2 T) discharges C L as much as the forward current from T b to T c (D 1 T) заправки C L .
Следовательно,. D заряд может быть получен как функция D путем получения T b
{Iin=ICL,charge+IRLTb (8) ∫TbTcICL,заряд(t)dt+∫TcTdICL,разряд(t)dt=∫TbTd(VIN(t)−VRECRonp+Ronn−VRECRL)dt=0. (9) Решая (5)–(9) для T b с помощью MATLAB, — D заряд можно выразить как Dзаряд=D-(Td-TbT). (10) Обратите внимание, что хотя входной ток от T b до T d не влияет на V REC , —
Поэтому, используя (5)–(11), потери R на в (2) можно выразить как функцию D.
R ONP + R ONN также может быть представлен как функция W P = W N
RONP + Ronn = 1WPP (LMINKP — LMINKP — LMINKP — LMINKP — LMINKP — LMINKP — LMINKP. )+Lminkn(VREC−VThN))
(12)
где L min — длина транзисторов PMOS и NMOS. Заменив W p на (12), член потери при переключении P Loss,Cgp в (2) может быть выражен как функция D
PLoss,Cgp=WpCgp∗VREC22fc=Cgp∗VREC22fc×1Ronp+Ronn×(Lminkp(VREC−∣VThP∣)+Lminkn(VREC−VThN)).
(13)
Следовательно, подставив (11) и (13) в (2) и продифференцировав его по D , можно получить оптимизированное D для минимальных потерь мощности внутри выпрямителя. Используя оптимальные D , оптимальные Вт p могут быть получены из (7) и (12), а максимальная PCE может быть рассчитана из (4) путем минимизации потерь мощности в (2).
Цветные версии одного или нескольких рисунков в этом документе доступны в Интернете по адресу http://ieeexplore.ieee.org.
1. Хаддад САП, Хоубен РПМ, Сердийн В.А. Эволюция кардиостимуляторов. IEEE Eng Med Biol Mag. 2006 г., май / июнь; 25 (3): 38–48. [PubMed] [Google Scholar]
2. Ghovanloo M, Iniewski K, редакторы. Схемы СБИС для биомедицинских приложений. Норвуд, ма; Artech House: 2008. Интегральные схемы для нейронных интерфейсов: Нейронная стимуляция. [Google Scholar]
3. Финкенцеллер К. Справочник по RFID. 2. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley; 2003. [Google Академия]
4. Jow U, Ghovanloo M. Проектирование и оптимизация печатных спиральных катушек для эффективной чрескожной индуктивной передачи энергии. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2007 г., сен; 1 (3): 193–202. [PubMed] [Google Scholar]
5. Sauer C, Stanacevic M, Cauwenberghs G, Thakor N. Сбор энергии и телеметрия в CMOS для имплантированных устройств. IEEE Trans Circuits Syst I, Reg Papers.
2005 г., декабрь; 52 (12): 2605–2613. [Google Scholar]
6. Гованлоо М., Наджафи К. Полностью интегрированные широкополосные сильноточные выпрямители для устройств с индуктивным питанием. Твердотельные схемы IEEE J. 2004 ноябрь; 39(11): 1976–1984. [Google Scholar]
7. Sawan M, Hu Y, Coulombe J. Беспроводные интеллектуальные имплантаты, предназначенные для многоканального мониторинга и микростимуляции. IEEE Circuits Syst Mag. 2005;5(1):21–39. [Google Scholar]
8. Хэм Дж. В., Пуэрс Р. Интерфейсная ИС питания и данных для систем биомедицинского мониторинга. Приводы Sens A, Phys. 2008 г., октябрь; 147 (2): 641–648. [Google Scholar]
9. Ghovanloo M, Atluri S. Интегрированный двухполупериодный выпрямитель CMOS со встроенной обратной телеметрией для RFID и имплантируемых биомедицинских приложений. IEEE Trans Circuits Syst I, Reg Papers. 2008 г., ноябрь; 55 (10): 3328–3334. [Академия Google]
10. Ли П., Баширулла Р. Беспроводной интерфейс питания для медицинских имплантатов, работающих на перезаряжаемых батареях.
IEEE Trans Circuits Syst II, Exp Briefs. 2007 г., октябрь; 54: 912–916. [Google Scholar]
11. Le T, Han J, Jouanne A, Marayam K, Fiez T. Пьезоэлектрические интерфейсные схемы микромощности. Твердотельные схемы IEEE J. 2006 г., июнь; 41 (6): 1411–1420. [Google Scholar]
12. Накамото Х., Ямадзаки Д., Ямамото Т., Курата Х., Ямада С., Мукаида К., Ниномия Т., Окава Т., Масуи С., Гото К. ИС пассивной УВЧ-радиочастотной идентификации КМОП-метки с использованием ферроэлектрической ОЗУ в 0,35-, мк м технологии. Твердотельные схемы IEEE J. 2007 г., январь; 42: 101–110. [Google Scholar]
13. Котани К., Сасаки А., Ито Т. Высокоэффективный КМОП-выпрямитель с дифференциальным приводом для СВЧ-диапазонов УВЧ. Твердотельные схемы IEEE J. 2009 ноябрь; 44 (11): 3011–3018. [Google Scholar]
14. Yoo J, Yan L, Lee S, Kim Y, Yoo H. Самонастраиваемый сетевой контроллер носимых нательных датчиков мощностью 5,2 МВт и датчик с беспроводным питанием 12 μ Вт и эффективностью 54,9 % для постоянного здоровья Система наблюдения.
Твердотельные схемы IEEE J. 2010 янв; 45: 178–188. [Академия Google]
15. Lam YH, Ki WH, Tsui CY. Встроенный активный выпрямитель CMOS с малыми потерями для устройств с беспроводным питанием. IEEE Trans Circuits Syst II, Exp Briefs. 2006 г., декабрь; 53 (12): 1378–1382. [Google Scholar]
16. Bawa G, Ghovanloo M. Активный выпрямитель с высокой эффективностью преобразования мощности со встроенной двухрежимной обратной телеметрией в стандартной технологии CMOS. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2008 г., сен; 2 (3): 184–192. [PubMed] [Google Scholar]
17. Хашеми С., Саван М., Савариа Ю. Новый активный КМОП-выпрямитель с низким падением напряжения для устройств с ВЧ-питанием: экспериментальные результаты. Микроэлектрон Дж. 2009ноябрь; 40 (11): 1547–1554. [Google Scholar]
18. Гуо С., Ли Х. КМОП-выпрямитель с повышенной эффективностью и несбалансированными компараторами смещения для чрескожных сильноточных имплантатов. Твердотельные схемы IEEE J. 2009 июнь; 44: 1796–1804.
[Google Scholar]
19. Guilar NJ, Amirtharajah R, Hurst PJ. Двухполупериодный выпрямитель со встроенным выбором пиков для сбора пьезоэлектрической энергии с нескольких электродов. Твердотельные схемы IEEE J. 2009 г., январь; 44: 240–246. [Google Scholar]
20. Peters C, Spreemann D, Ortmanns M, Manoli Y. КМОП-интегрированный аналого-постоянный преобразователь напряжения и мощности для приложений по сбору энергии. J Micromech Microeng. 2008 г., 18 октября (10): 104005–1104005. [Академия Google]
21. Хван И, Лин Х. Новый аналоговый интерфейс CMOS для RFID-меток. IEEE Trans Ind Electron. 2009 г., июль; 56 (7): 2299–2307. [Google Scholar]
22. Мэн Т.И., Мок ПКТ, Чан М.Дж. Повышающий преобразователь с входным напряжением 0,9 В в режиме прерывистой проводимости с выпрямителем с КМОП-управлением. Твердотельные схемы IEEE J. 2008 г., сен; 43 (9): 2036–2046. [Google Scholar]
23. Сакинджер Э., Теннен А., Шульман Д., Вани Б., Рамбо М., Лим Д., Ларсен Ф., Мошиц Г.
С. Усилитель селективности фильтра CMOS с питанием от сети переменного тока 5 В для уменьшения размера сплиттера POTS/ADSL. Твердотельные схемы IEEE J. 2006 г., декабрь; 41: 2877–2884. [Академия Google]
24. Бава Г., Гованлоо М. Анализ, проектирование и реализация высокоэффективного двухполупериодного выпрямителя на основе стандартной КМОП-технологии. Сигнальный процесс аналоговых интегральных схем. 2009 авг; 60: 71–81. [Google Scholar]
25. Масуи С., Исии Э., Иваваки Т., Сугавара Ю., Савада К. Интегральная схема RF-транспондера CMOS 13,56 МГц с выделенным процессором. IEEE Int Solid-State Circuits Conf (ISSCC) Dig Tech Papers. 1999 г., февраль: 162–163. [Google Scholar]
26. Lee SB, Lee H, Kiani M, Jow U, Ghovanloo M. Масштабируемая 32-канальная беспроводная нейронная система записи на кристалле с индуктивным питанием и планированием мощности для нейробиологических приложений. IEEE Trans Biomed Circuits Syst. 2010 г., декабрь; 4 (6): 360–371. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
27.
Киани М., Гованлоо М. Замкнутая система беспроводной передачи энергии на основе RFID для биомедицинских приложений. IEEE Trans Circuits Syst II, Exp Briefs. 2010 апрель; 57: 260–264. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
28. Спецификация 1N4148WT Diodes Inc [Online] Доступно: http://www.diodes.com/datasheets/ds30396.pdf.
Однополупериодный выпрямитель — положительный и отрицательный однополупериодный выпрямитель
A выпрямитель не что иное, как простой диод или группа диодов, которая преобразует переменный Ток (AC) в прямой Ток (постоянный ток).
Мы
известно, что диод пропускает электрический ток в одном направлении
и блокирует электрический ток в другом направлении. Мы
используя этот принцип для построения различных типов
выпрямители.
Выпрямители
находятся
делятся на разные виды в зависимости от количества
диоды, используемые в цепи или расположение диодов в цепи
схема. Основные типы выпрямителей: однополупериодные
выпрямитель и полный
волновой выпрямитель.
Давайте
взгляните на однополупериодный выпрямитель….
Полупериодный выпрямитель определение выпрямителя
Половина волны выпрямитель — тип выпрямителя, который преобразует положительный полупериод (положительный ток) входного сигнала в пульсирующий выходной сигнал постоянного тока.
или
Половина волны
выпрямитель — это тип выпрямителя, который допускает только половину
цикл (либо положительный полупериод, либо отрицательный полупериод)
входной сигнал переменного тока, в то время как другой полупериод
заблокирован.
Для Например, если разрешен положительный полупериод, то отрицательный полупериод блокируется. Аналогично, если отрицательный полупериод разрешен, тогда положительный полупериод заблокирован. Однако однополупериодный выпрямитель не позволит положительные и отрицательные полупериоды одновременно.
Следовательно, полупериод (положительный или отрицательный) входного сигнала сигнал теряется.
Что полупериодный выпрямитель?
однополупериодный выпрямитель является простейшей формой выпрямителя.
Мы используем только один диод для построения полуволны
выпрямитель.
однополупериодный выпрямитель состоит из источника переменного тока, трансформатора
(понижающий), диод и резистор
(нагрузка).
диод ставится между трансформатором и резистором (нагрузкой).
АС источник
Источник переменного тока подает переменный ток в цепь. переменный ток часто изображают синусоидальным форма волны.
Трансформатор
Трансформатор
это устройство, которое уменьшает или увеличивает напряжение переменного тока.
понижающий трансформатор снижает переменное напряжение от высокого до
низкое, тогда как повышающий трансформатор увеличивает напряжение переменного тока
от низкого к высокому. В однополупериодном выпрямителе мы обычно используем
понижающий трансформатор, потому что напряжение
нужно для диода очень мало. Применение большого
Напряжение переменного тока без использования трансформатора будет постоянно
уничтожить диод.
Итак, мы используем понижающий трансформатор пополам.
волновой выпрямитель. Однако в некоторых случаях мы используем шаг вверх.
трансформатор.
В у понижающего трансформатора первичная обмотка больше витков, чем вторичная обмотка. Итак, шаг вниз трансформатор снижает напряжение от первичной обмотки до вторичная обмотка.
Диод
А диод представляет собой двухконтактное устройство, которое пропускает электрический ток в одном направлении и блокирует электрический ток в другом направление.
Резистор
А Резистор — это электронный компонент, который ограничивает текущий поток до определенного уровня.
Половина волны работа выпрямителя
Положительная половина волновой выпрямитель
Когда
высокая
Подается переменное напряжение (60 Гц), понижающий трансформатор
уменьшает это высокое напряжение до низкого напряжения.
Таким образом, низкий
напряжение возникает на вторичной обмотке
трансформатор. Низкое напряжение, возникающее на вторичной
обмотка трансформатора называется вторичным напряжением (V С ).
Напряжение переменного тока или сигнал переменного тока, подаваемые на трансформатор,
ничего, кроме входного сигнала переменного тока или входного напряжения переменного тока.
низкое переменное напряжение, создаваемое понижающим трансформатором,
непосредственно на диод.
Когда
на диод (D) подается низкое переменное напряжение во время
положительный полупериод сигнала, диод направлен вперед
смещен и пропускает электрический ток, тогда как во время
отрицательный полупериод, диод обратный
смещается и блокирует электрический ток.
Простыми словами,
диод допускает положительный полупериод входного переменного тока
сигнал и блокирует отрицательный полупериод входного переменного тока
сигнал.
положительный полупериод входного сигнала переменного тока или напряжения переменного тока приложенное к диоду аналогично прямому постоянному напряжению подается на диод p-n перехода аналогично отрицательному полупериод входного сигнала переменного тока, подаваемого на диод, равен аналогично обратному постоянному напряжению, приложенному к p-n переходной диод.
Мы
знайте, что диод пропускает электрический ток, когда он направлен вперед
смещен и блокирует электрический ток, когда он обратный
пристрастный. Точно так же в цепи переменного тока диод позволяет
электрический ток во время положительного полупериода (прямой
смещен) и блокирует электрический ток во время отрицательной половины
цикл (с обратным смещением).
положительный однополупериодный выпрямитель не полностью блокирует
отрицательные полупериоды. Он допускает небольшую порцию негатива
полупериоды или небольшой отрицательный ток. Этот ток
генерируются неосновными носителями в диоде.
ток, производимый неосновными носителями, очень мал. Так
им пренебрегают. Мы не можем визуально увидеть небольшую часть
отрицательные полупериоды на выходе.
В идеальный диод, отрицательные полупериоды или отрицательный ток равен нулю.
резистор, установленный на выходе, потребляет постоянный ток
генерируется диодом. Следовательно, резистор также известен как
электрическая нагрузка. Выходное постоянное напряжение или постоянный ток
измерено на нагрузочном резисторе R L .
электрическая нагрузка есть не что иное, как электрическая составляющая цепь, потребляющая электрический ток. В полуволне выпрямителя, резистор потребляет постоянный ток, генерируемый диод. Итак, резистор в однополупериодном выпрямителе известен. как груз.
Иногда, нагрузка также относится к мощности, потребляемой схема.
Нагрузочные резисторы используются в однополупериодных выпрямителях для ограничения или заблокировать необычный избыточный постоянный ток, создаваемый диод.
Таким образом,
однополупериодный выпрямитель допускает положительные полупериоды и
блокирует отрицательные полупериоды. Однополупериодный выпрямитель, который
разрешает положительные полупериоды и блокирует отрицательные полупериоды
называется выпрямителем положительной полуволны.
Выход постоянного тока
ток или сигнал постоянного тока, создаваемый положительной полуволной
выпрямитель представляет собой серию положительных полупериодов или положительных
синусоидальные импульсы.
Сейчас давайте посмотрим на отрицательную полуволну выпрямитель……..
Минус однополупериодный выпрямитель
строительство и работа выпрямителя отрицательной полуволны почти аналогичен выпрямителю положительной полуволны. Единственная вещь мы меняем здесь направление диода.
Когда Подается переменное напряжение, понижающий трансформатор уменьшает высокого напряжения к низкому напряжению. Это низкое напряжение подается на диод.
Отличие
положительный полупериодный выпрямитель, отрицательный полупериод
выпрямитель пропускает электрический ток во время отрицательного
полупериод входного сигнала переменного тока и блокирует электрический ток
во время положительного полупериода входного сигнала переменного тока.
Во время отрицательный полупериод, диод смещен в прямом направлении и во время положительного полупериода диод смещен в обратном направлении, поэтому выпрямитель отрицательной полуволны пропускает электрический ток только в отрицательный полупериод.
Таким образом,
отрицательный полупериодный выпрямитель допускает отрицательные полупериоды
и блокирует положительные полупериоды.
отрицательный однополупериодный выпрямитель не полностью блокирует положительные полупериоды. Позволяет получить небольшую порцию позитива полупериоды или малый положительный ток. Этот ток генерируются неосновными носителями в диоде.
ток, производимый неосновными носителями, очень мал. Так
им пренебрегают. Мы не можем визуально увидеть этот маленький положительный
полупериод на выходе.
В идеальный диод, положительный полупериод или положительный ток равен нулю.
Постоянный ток или постоянное напряжение, создаваемые отрицательной полуволной выпрямителя измеряется на нагрузочном резисторе R л . Выходной постоянный ток или сигнал постоянного тока, создаваемый отрицательным однополупериодный выпрямитель представляет собой серию отрицательных полупериодов или отрицательные синусоидальные импульсы.
Таким образом, отрицательный однополупериодный выпрямитель производит серию отрицательных синусоидальные импульсы.
В идеальном
или идеальный диод, положительный полупериод или отрицательный полупериод
цикл на выходе точно такой же, как на входе положительный
полупериод или отрицательный полупериод. Однако в
практике, положительный полупериод или отрицательный полупериод в
вывод немного отличается от ввода
положительный полупериод или отрицательный полупериод. Но
эта разница незначительна. Поэтому мы не можем видеть
разница с нашими глазами.
Таким образом, однополупериодный выпрямитель производит серию положительных синусоидальные импульсы или отрицательные синусоидальные импульсы. Эта серия положительных импульсов или отрицательных импульсов не является чистым прямым Текущий. Это пульсирующий постоянный ток.
пульсирующий
постоянный ток меняет свое значение за короткий промежуток времени
время. Но наша цель состоит в том, чтобы произвести постоянный ток, который
не меняет своего значения в течение короткого промежутка времени. Следовательно,
пульсирующий постоянный ток мало полезен.
Половина волны выпрямитель с емкостным фильтром
A фильтр преобразует пульсирующий постоянный ток в чистый постоянный ток. В однополупериодных выпрямителях конденсатор или индуктор используется в качестве фильтра для преобразования пульсирующий постоянный ток в чистый постоянный ток.
выходное напряжение, создаваемое однополупериодным выпрямителем, не постоянный; она меняется во времени. В практике приложений, необходимо постоянное напряжение питания постоянного тока.
В
Чтобы получить постоянное напряжение постоянного тока, нам нужно подавить
пульсации постоянного напряжения. Это может быть достигнуто с помощью
либо конденсаторный фильтр, либо индукторный фильтр на выходе
сторона. В приведенной ниже схеме мы используем конденсатор
фильтр. Конденсатор, расположенный на стороне выхода, сглаживает
пульсирующий постоянный ток в чистый постоянный ток.
Характеристики из однополупериодный выпрямитель
Коэффициент пульсации
постоянный ток (DC), создаваемый однополупериодным выпрямителем, не чистый постоянный ток, но пульсирующий постоянный ток. На выходе пульсирующий постоянный ток сигнал, мы находим рябь. Эти пульсации в выходном постоянном токе сигнал можно уменьшить, используя фильтры, такие как конденсаторы и индукторы.
В
чтобы измерить, сколько пульсаций есть в выходном постоянном токе
сигнала мы используем фактор, известный как коэффициент пульсации. пульсация
фактор обозначается цифрой γ .
Коэффициент пульсаций говорит нам о количестве пульсаций, присутствующих в выходной сигнал постоянного тока.
А большой коэффициент пульсации указывает на высокий пульсирующий сигнал постоянного тока в то время как низкий коэффициент пульсации указывает на низкий пульсирующий постоянный ток сигнал.
Если коэффициент пульсации очень низкий, то это указывает на то, что выходной постоянный ток ближе к чистому постоянному току. В Простыми словами, чем ниже коэффициент пульсации, тем ровнее выходной сигнал постоянного тока.
Пульсация
фактор
можно математически определить как отношение среднеквадратичного значения
Переменная составляющая выходного напряжения на постоянную составляющую
выходное напряжение.
Рябь фактор = среднеквадратичное значение составляющей переменного тока выходного напряжения / постоянного тока составляющая выходного напряжения
Где, среднеквадратичное значение = среднеквадратичное значение
или
Пульсация коэффициент также просто определяется как отношение напряжения пульсаций к постоянному напряжению
Пульсации фактор = Отношение пульсации напряжения к постоянному напряжению
коэффициент пульсации должен быть сведен к минимуму, чтобы построить хороший выпрямитель.
коэффициент пульсации задается как
Наконец, получаем
γ = 1,21
нежелательная пульсация присутствует на выходе вместе с постоянным током
напряжение составляет 121% от величины постоянного тока. Это указывает на то, что
однополупериодный выпрямитель не является эффективным преобразователем переменного тока в постоянный.
Высокие пульсации в однополупериодном выпрямителе можно уменьшить.
с помощью фильтров.
Постоянный ток
Постоянный ток определяется по формуле,
Где,
I max = максимальный ток нагрузки постоянного тока
Выход Напряжение постоянного тока (В
DC ) выходное напряжение постоянного тока (V DC ) — это напряжение, появившееся
на нагрузочном резисторе (R л ). Это напряжение
получается путем умножения выходного постоянного тока на нагрузку
сопротивление R L .
Это можно математически записать как
V DC = I DC R L
выходное напряжение постоянного тока определяется по формуле,
Где, В Smax = Максимальное вторичное напряжение
Пиковое инверсное напряжение (PIV)
Пиковое обратное напряжение – максимальное обратное напряжение смещения до которые может выдержать диод. Если приложенное напряжение больше, чем пиковое обратное напряжение, диод будет уничтожен.
Во время
положительный полупериод, диод смещен в прямом направлении и
разрешить электрический ток. Этот ток падает на
резисторная нагрузка (RL). Однако во время отрицательного полупериода
диод смещен в обратном направлении и не пропускает электрический ток. ток, поэтому входной переменный ток или переменное напряжение падает при
диод.
максимальное падение напряжения на диоде не что иное, как вход Напряжение.
Следовательно, пиковое обратное напряжение (PIV) диода = В Smax
Выпрямитель КПДКПД выпрямителя определяется как отношение выходного постоянного мощность к входной сети переменного тока.
КПД однополупериодного выпрямителя составляет 40,6%
Корень среднеквадратичное (СКЗ) значение тока нагрузки I
СКЗ среднеквадратичное (RMS) значение тока нагрузки в полуволне
выпрямитель
корень среднеквадратичное (СКЗ) значение выходного напряжения нагрузки В
СКЗКорень среднеквадратичное (RMS) значение выходного напряжения нагрузки в полугодии волновой выпрямитель
Форма коэффициент
Форма
коэффициент определяется как отношение среднеквадратичного значения к
Значение постоянного тока
It можно математически записать как
F. F.
= среднеквадратичное значение / значение постоянного тока
Форм-фактор однополупериодного выпрямителя
F.F. = 1,57
Преимущества однополупериодного выпрямителя
- Мы используем очень мало компонентов для создания однополупериодного выпрямителя. Так что стоимость очень низкая.
- Легко конструкция
Недостатки из однополупериодный выпрямитель
- Потеря мощности
однополупериодный выпрямитель либо допускает положительный полупериод, либо
отрицательный полупериод. Таким образом, оставшийся полупериод тратится впустую.
Примерно половина приложенного напряжения теряется в два раза
волновой выпрямитель.
- Пульсирующий постоянный ток
постоянный ток, создаваемый однополупериодным выпрямителем, не является чистый постоянный ток; это пульсирующий постоянный ток, который не очень полезно.
- Продукция низкое выходное напряжение.
«Эта статья только около однополупериодного выпрямителя. Если вы хотите прочитать о полупериодный выпрямитель с посещением фильтра: Half волновой выпрямитель с фильтром»
Двухполупериодный мостовой выпрямитель – принципиальная схема и принцип работы » ElectroDuino
Привет друзья! Добро пожаловать в ElectroDuino. Этот блог основан на Двухполупериодный мостовой выпрямитель . В предыдущих уроках мы уже обсуждали полупериодный выпрямитель и двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом. Здесь мы обсудим, что такое двухполупериодный мостовой выпрямитель, принцип работы, принципиальная схема, формы волны, формула, преимущества и недостатки.
Мостовой выпрямитель представляет собой тип двухполупериодного выпрямителя, в котором используются четыре отдельных выпрямительных диода, соединенных вместе в замкнутой мостовой конфигурации для эффективного преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). ). Он может выпрямлять оба полупериода входной синусоидальной волны переменного тока.
Что такое двухполупериодный мостовой выпрямитель Эта схема выпрямителя формирует выходной сигнал той же формы, что и схема двухполупериодного выпрямителя. Основное преимущество мостового выпрямителя заключается в том, что в этой конструкции не используется дорогой трансформатор с отводом от средней точки, вместо трансформатора с отводом от средней точки используется обычный трансформатор. Таким образом, размер схемы уменьшится, а также уменьшится ее стоимость. По этой причине двухполупериодные мостовые выпрямители имеют гораздо большее практическое применение, чем двухполупериодные выпрямители с отводом от средней точки.
См. также
|
Схема двухполупериодного мостового выпрямителя состоит из четырех диодов (D1, D2, D3, D4), нормального трансформатора и нагрузочного резистора (RL). Четыре диода соединены вместе в конфигурации моста с обратной связью. На следующем рисунке показана принципиальная схема мостового выпрямителя:
Принципиальная схема и конструкция двухполупериодного мостового выпрямителя Эти диоды расположены последовательно парами, так что только два диода проводят ток в течение каждого полупериода. Например, во время положительного полупериода входного переменного тока диоды D1 и D3 работают последовательно, что позволяет проходить электрическому току, но на этот раз диоды D2 и D4 смещены в обратном направлении, что блокирует электрический ток. Во время отрицательного полупериода входного переменного тока диоды D2 и D4 работают последовательно, что позволяет проходить электрическому току, но на этот раз диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении, что блокирует электрический ток. Трансформатор используется для преобразования переменного напряжения высокого уровня в переменное напряжение низкого уровня, поскольку входное переменное напряжение высокого уровня может разрушить диоды. Вторичная обмотка трансформатора подключается к двум диаметрально противоположным точкам моста в точках A и C , а сопротивление нагрузки (RL) подключено к двум другим диаметрально противоположным точкам моста в точках B и D . Мы получаем выходное постоянное напряжение на нагрузочном резисторе (RL).
Если упростить эту схему выпрямителя для лучшего понимания, то принципиальная схема выглядит следующим образом:
Простая принципиальная схема двухполупериодного мостового выпрямителя Принцип работы мостового выпрямителя (теория)Во время положительного полупериода входного напряжения переменного тока клемма-1 (T1) вторичной обмотки трансформатора положительна (+) по отношению к клемме-2 (земля). В этом состоянии диоды D1 и D3 смещены в прямом направлении . Итак, ток протекает через диод D1 (плечо AB), входит в сопротивление нагрузки (RL), затем течет через диод D3 (плечо DC) и возвращается на вывод-2 (земля). Но диоды D4 и D2 смещены в обратном направлении, что блокирует протекание тока через диоды D2 (плеча AD и BC). Так что только положительное напряжение появляется на нагрузочном резисторе.
На следующем рисунке показан выход двухполупериодного мостового выпрямителя во время положительного полупериода. Диоды Д4 и Д2 смещены в обратном направлении, поэтому диоды Д4 и Д2 опустим из схемы выпрямителя, что поможет нам лучше понять направление протекания тока в цепи.
Во время отрицательного полупериода входного напряжения переменного тока клемма-2 вторичной обмотки трансформатора положительна (+) по отношению к клемме-1 (земля). В этом состоянии диоды D2 и D4 смещены в прямом направлении . Итак, ток протекает через диод D2 (плечо CB), входит в сопротивление нагрузки (RL), затем протекает через диод D4 (плечо DA) и возвращается на вывод-1 (земля). Но диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении, что блокирует протекание тока через диоды D1 и D3 (плечо AB и DC). В этом случае снова появляется положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.
На следующем рисунке показан выход двухполупериодного мостового выпрямителя во время отрицательного полупериода. Диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении, поэтому диоды D1 и D3 мы опустим из схемы выпрямителя, что поможет нам лучше понять направление протекания тока в цепи.
В результате мы получаем выходное постоянное напряжение на нагрузочном резисторе. Это выходное напряжение имеет ту же полярность, и этот выходной ток имеет то же направление. Выходное напряжение постоянного тока на нагрузочном резисторе представляет собой серию положительных полупериодов или положительных синусоидальных импульсов. Таким образом, этот выпрямитель преобразует входное напряжение переменного тока в выходное напряжение постоянного тока.
Форма выходного сигнала постоянного тока Двухполупериодный мостовой выпрямитель с конденсаторным фильтром Выход двухполупериодного мостового выпрямителя представляет собой пульсирующее постоянное напряжение с большим количеством пульсаций, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля. Как правило, такое постоянное напряжение не имеет практического применения. Итак, нам нужно преобразовать пульсирующее постоянное напряжение в плавное постоянное напряжение, что можно сделать с помощью фильтра. Здесь мы будем использовать в качестве фильтра конденсатор, который параллельно подключен к нагрузочному резистору (RL).
Первоначально конденсатор не заряжен. В течение первого положительного полупериода диоды D1 и D3 смещены в прямом направлении, в то же время начинает заряжаться конденсатор. Зарядка конденсатора продолжается до тех пор, пока вход не достигнет пикового значения (Vp). В этот момент входное напряжение равно напряжению конденсатора. После того, как входное напряжение достигает своего пикового значения, оно начинает уменьшаться. Когда входное напряжение меньше Vp, в то же время конденсатор начинает разряжаться через нагрузочный резистор и подает ток нагрузки, пока не наступит следующий пик.
Во время отрицательного полупериода появляется следующий пик, на этот раз диоды D2 и D4 смещены в прямом направлении. Итак, снова конденсатор начинает заряжаться, пока вход не достигнет своего пикового значения (Vp). Когда входное напряжение меньше, чем Vp, конденсатор снова начинает разряжаться через нагрузочный резистор и обеспечивает ток нагрузки, пока не наступит следующий пик.
Этот процесс повторяется снова и снова. В результате мы получаем плавное выходное напряжение постоянного тока на нагрузочном резисторе (RL).
Форма выходного сигнала постоянного тока с конденсаторным фильтром Преимущества- Использование трансформатора: Мостовой выпрямитель может быть выполнен с трансформатором или без него. Если для создания этой схемы используется трансформатор, мы можем использовать любой обычный повышающий/понижающий трансформатор.
- Высокий КПД выпрямителя: КПД двухполупериодного мостового выпрямителя вдвое выше, чем у однополупериодного выпрямителя. Таким образом, он может более эффективно преобразовывать переменное напряжение в постоянное напряжение моста по сравнению с однополупериодным выпрямителем.
- Низкая пульсация: На выходе мостового выпрямителя пульсации меньше, чем у однополупериодного выпрямителя. Но коэффициент пульсаций мостового выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с отводом от середины одинаков.
- Низкие потери мощности: Допускаются как положительные, так и отрицательные полупериоды входного переменного напряжения. Таким образом, выходная мощность почти равна входной мощности.
- High TUF: Коэффициент использования трансформатора (TUF) выше по сравнению с выпрямителем с отводом от средней точки.
Недостатки
- Для конструкции требуется четыре диода.
- Конструкция и схема мостового выпрямителя сложнее, чем у однополупериодного выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки.
- Для изготовления этого выпрямителя требуется четыре диода, поэтому его стоимость будет высокой.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром Расчет конструкции и формула
by Michal
В предыдущей статье мы обсуждали двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки. Для этого требуется трансформатор с отводом от середины, а пиковая выходная мощность выпрямителя всегда составляет половину вторичного напряжения трансформатора. Полноволновый мостовой выпрямитель с емкостным фильтром не имеет таких требований и ограничений.
Средняя мощность мостового выпрямителя составляет около 64% от входного напряжения. Двухполупериодный выпрямитель мостового типа может преобразовывать переменный ток в постоянный с помощью четырех диодов. Диоды подключены так, что выходное пиковое напряжение остается равным вторичному пику трансформатора. В каждом полупериоде набор из двух диодов попеременно проводит и блокирует ток. В отличие от выпрямителя с отводом от середины, для мостового выпрямителя требуется четыре диода вместо двух, что становится дорогим.
Мостовой выпрямитель Схема:
Как следует из названия, конфигурация из четырех диодных соединений образует мост. В двух углах моста подается входное переменное напряжение, а в двух других углах моста собирается выходное постоянное напряжение.
Работа двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром
Положительный полупериод выпрямителя
Во время положительного периода входного переменного тока верхний угол моста относительно положительный, где подключены диоды D1 и D2. Кроме того, нижний угол моста сравнительно отрицательный, где подключены диоды D3 и D4.
- Как работают микроволновые печи
- Типы энкодеров на основе движения, технологии обнаружения и каналов
В этой ситуации диод D2 смещен в прямом направлении, поскольку его анод подключен к сравнительно более высокому потенциалу, а диод D1 смещен в обратном направлении. так как его катод подключен к сравнительно более высокому напряжению. Точно так же в нижнем углу диод D3 смещен в прямом направлении, так как его катод подключен к относительно более низкому напряжению, а диод D4 смещен в обратном направлении, поскольку его анод подключен к сравнительно более высокому напряжению.
Для положительного цикла ток течет из верхнего угла моста через диод D2, затем через нагрузочный резистор из точки a в сторону точки b и диода D3, завершая свой путь до нижнего угла.
Отрицательный полупериод выпрямителя:
Во время отрицательного цикла входа переменного тока верхний угол моста относительно отрицательный, где подключены диоды D1 и D2. Кроме того, нижний угол моста сравнительно положительный, где подключены диоды D3 и D4.
В этой ситуации диод D1 смещен в прямом направлении, поскольку его катод подключен к сравнительно более низкому напряжению, а диод D2 смещен в обратном направлении, поскольку его анод подключен к сравнительно более низкому напряжению. Точно так же в нижнем углу диод D4 смещен в прямом направлении, поскольку его анод подключен к сравнительно более высокому напряжению, а диод D3 смещен в обратном направлении, поскольку его катод подключен к сравнительно более высокому напряжению.
Для отрицательного цикла ток течет из нижнего угла моста через диод D4, затем через нагрузочный резистор из точки a в сторону точки b и диода D1, завершая свой путь к верхнему углу.
Обратите внимание, что во время обоих циклов ток в нагрузке течет от точки a к точке b, и ток является однонаправленным, как постоянный, а не переменный.
Средняя мощность мостового выпрямителя
- Расчет кВА трансформатора: калькулятор кВА трансформатора
- Классификация трансформаторов тока на основе четырех параметров
повторяется дважды. Другими словами, цикл периода времени выпуска составляет $\pi $ вместо $2\pi $. Таким образом, среднее значение выходного сигнала будет равно 9.{\pi }{sin t dt} )$
$v_{avg}=\frac{V_{p}}{\pi }(2)$
$v_{avg}=\frac{2V_{p} }{\pi }$
$v_{avg}=0,637 V_{p}$
Пиковое обратное напряжение мостового выпрямителя:
Рассмотрим положительный полупериод, где D2 и D3 смещены в прямом направлении, а D1 и D4 смещены в прямом направлении. обратная предвзятость. Пиковое обратное напряжение появляется на диодах D1 и D4. Обратное напряжение на диоде Д4 можно определить подачей КВЛ на контур
$v_{p}-PIV_{D4}-0,7v=0$
$PIV_{D4}=v_{p}-0,7v$
Коэффициент пульсаций выпрямителя:
Коэффициент пульсаций показывает эффективность двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром и определяется как
$r=\frac{v_ {r(pp)}}{v_{dc}}$
Где v$_{r(pp)}$ — напряжение пульсаций (пик-пик) и значение v$_{dc}$ отфильтрованного выхода. Формулы для v$_{dc}$ и v$_{r(pp)}$ приведены ниже
$v_{r(pp)}=(\frac{1}{fR_{L}C})( \frac{v_{p(s)}}{2}-0,7)$
$v_{dc}=(1-\frac{1}{2fR_{L}C})(\frac{v_{p( с)}}{2}-0,7)$
Обратите внимание на форму выходного сигнала выпрямителя: частота выходного напряжения в два раза превышает входное напряжение.
- 7 причин изучать электротехнику
- Аналоговая и цифровая электроника для инженеров pdf Книга
Зачем добавлять конденсаторы в двухполупериодный мостовой выпрямитель?
Конденсатор двухполупериодного мостового выпрямителя сглаживает пульсации постоянного тока и уменьшает пульсации.
