Synchrongleichrichter. Schema, Beschreibung

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Synchrongleichrichter. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter

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Der Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden ermöglicht keine Steigerung des Wirkungsgrades über einen bestimmten Grenzwert hinaus. Durch Nebenschließen oder Ersetzen jeder Diode durch einen elektronischen Schlüssel kann dieser Grenzwert überschritten werden. Aufgrund der Komplexität der elektronischen Schlüsselsteuereinheit haben Synchrongleichrichter jedoch nur in professionellen Stromversorgungsgeräten Anwendung gefunden. Der vorgeschlagene Artikel beschreibt einen einfachen Entwurf eines Synchrongleichrichters, der für die Wiederholung unter Amateurfunkbedingungen verfügbar ist.

Eine der wichtigsten Aufgaben der Entwickler moderner Stromversorgungen ist die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades. Typischerweise werden Gleichrichter auf Siliziumdioden oder Schottky-Dioden hergestellt, seltener auf Germaniumdioden. Der typische Spannungsabfall bei Siliziumdioden beträgt 1 V, bei Germanium- und Schottky-Dioden etwa 0,5 V.

Deutlich geringerer Energieverlust bei Synchrongleichrichtern auf leistungsstarken Feldeffekttransistoren, bei denen Dioden durch Feldeffekttransistoren ersetzt werden. Der Leerlaufwiderstand moderner Feldeffekttransistoren ist auf wenige Milliohm reduziert. Dadurch ist es möglich, den Spannungsabfall und damit die Wärmeableitung um eine Größenordnung zu reduzieren. Der Einsatz von Feldeffekttransistoren in Gleichrichtern weist jedoch eine Reihe von Besonderheiten auf. Der erste Grund ist das Vorhandensein einer internen Diode im Feldeffekttransistor. Wenn an den Feldeffekttransistor eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird, öffnet die interne Diode. Bei einer synchronen Versorgung des Gates des Transistors relativ zur Quelle der Spannung mit Öffnungspolarität mit einem ausreichenden Wert öffnet sich der Kanal des Feldeffekttransistors, der parallel zu dieser Diode geschaltet ist. Da der Kanalwiderstand eines offenen Feldeffekttransistors viel geringer ist als der Widerstand einer offenen Diode, fließt fast der gesamte Strom durch den Kanal.

Ein weiteres Merkmal des Feldeffekttransistors ist die Ein- und Ausschaltverzögerung aufgrund des Vorhandenseins von Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten. Diese Kapazitäten sind stark spannungsabhängig. Sie sind bei niedriger Spannung groß und nehmen ab, wenn sie erhöht wird. Damit der Transistor öffnet, ist es notwendig, die Eingangskapazität auf 10 ... 12 V aufzuladen. Dieser Vorgang wird durch den Miller-Effekt behindert, der die äquivalente Eingangskapazität erhöht. Weitere Einzelheiten zu den Eigenschaften von Hochleistungs-Feldeffekt-Tastentransistoren finden Sie im Buch von B. Yu. Semenov „Leistungselektronik: Von einfach zu komplex“ (M.: „SOLON-Press“, 2005).

Reis. 1 (zum Vergrößern anklicken)

Auf Abb. In Abb. 1 zeigt ein Diagramm eines Vollwellen-Synchrongleichrichters zur Gleichrichtung einer rechteckigen und sinusförmigen Spannung. Der Gleichrichter ist mit einer Anzapfung in der Mitte mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden. Pins 1 und 3 – in beliebiger Reihenfolge zum Anfang und Ende der Wicklung, Pin 2 – zum Wicklungsausgang. Zur Gleichrichtung werden Transistoren VT1 und VT2 mit internen Dioden verwendet. Kondensator C1 - Glättung.

Der Knoten zur Bildung von Steuerimpulsen, die an die Gates von Transistoren angelegt werden, ist auf den Mikroschaltungen DA1, DA2, DD1, DA4, den Dioden VD1, VD2 und den Widerständen R1-R6 aufgebaut. Dieser Knoten erhält eine 10-V-Versorgungsspannung von einem Spannungsregler auf dem DA3-Chip.

Wenn den Gates der Transistoren keine Steuerimpulse zugeführt werden, beispielsweise wenn die Impulsformungseinheit deaktiviert ist, arbeitet der Gleichrichter als normaler (asynchroner) Gleichrichter an den internen Dioden der Transistoren. Das Prinzip der Erzeugung eines Steuerimpulses am Transistor-Gate: Die Impulsspannung soll den Transistorkanal öffnen, wenn die Spannung an der Kathode der internen Diode geringer ist als die Spannung an ihrer Anode, die mit einem gemeinsamen Draht verbunden ist – abzüglich des Ausgangs Stromspannung. Das heißt, wenn die Spannung an der Kathode eine negative Polarität hat, muss eine Öffnungsspannung positiver Polarität an das Gate des Transistors relativ zu seiner Source angelegt werden. In der restlichen Zeit muss die Spannung zwischen Gate und Source Null sein, damit der Transistor ausgeschaltet ist. Es ist sehr wichtig, dass sich die Öffnungsimpulse zeitlich nicht überlappen, damit nicht beide Transistoren gleichzeitig geöffnet sind.

Die Pulsformungseinheit funktioniert so. Die Spannung an den Drains der Transistoren wird von den Komparatoren DA1 und DA2 überwacht. Auf dem DD1-Chip ist ein Knoten montiert, der die Überlappung der Öffnungsimpulse ausschließt. Die Wechselrichter auf dem DA4-Chip liefern einen Ausgangsstrom von bis zu 1,5 A, wodurch die Eingangskapazität der Transistoren trotz der Störungen durch den Miller-Effekt schnell aufgeladen wird.

Lassen Sie eine positive Spannungshalbwelle auf den Drain des Transistors VT1 wirken. An den invertierenden Eingang des Komparators DA0,7 relativ zu seinem nichtinvertierenden Eingang wird eine Spannung von +1 V von der Diode VD1 angelegt, wodurch am Ausgang DA1 ein High-Pegel erscheint. Dies führt zu einem hohen Spannungspegel an Pin 2 des DA4-Treibers und daher weist sein Ausgang einen niedrigen Spannungspegel auf. Transistor VT1 ist geschlossen. Lassen Sie eine negative Spannungshalbwelle auf den Drain VT1 einwirken und dessen interne Diode öffnen. Am nichtinvertierenden Eingang des DA1-Komparators ist die Spannung größer als am invertierenden, wodurch der Komparatorausgang eine niedrige Spannung hat. Dadurch geht Pin 2 des DA4-Treibers auf Low und der Ausgang auf High. Der Transistor VT1 öffnet und überbrückt seine interne Diode, was zu geringeren Gleichrichtungsenergieverlusten führt. Der Transistor VT2 wird auf ähnliche Weise gesteuert.

Auf dem DD1-Chip befindet sich eine Steuereinheit für den korrekten Betrieb des Gleichrichters. Es enthält vier logische Elemente „Exklusiv-ODER“. Tatsache ist, dass zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Sinusspannung die Ausgänge der Komparatoren DA1 und DA2 gleichzeitig niedrige Spannungspegel aufweisen. Wenn diese Ausgänge mit den Eingängen des DA4-Chips verbunden würden, würde dies zum gleichzeitigen Öffnen beider Transistoren VT1 und VT2 führen, was aufgrund des durch sie fließenden Durchgangsstroms nicht akzeptabel ist. Daher ist zwischen den Ausgängen der Komparatoren DA1 und DA2 und den Eingängen des DA4-Chips ein Knoten auf dem DD1-Chip enthalten. Werfen wir einen Blick auf seine Arbeit. Lassen Sie die Ausgänge beider Komparatoren niedrige Spannungspegel haben. Diese Kombination von Eingangssignalen am Eingang des Elements DD1. 1 entspricht einem niedrigen Spannungspegel an seinem Ausgang. Auf dem DD 1.2-Element wird ein Wechselrichter hergestellt, für den die Versorgungsspannung (High-Pegel) an Pin 13 angelegt wird. Somit haben Pin 6 des DD1.3-Elements und Pin 9 des DD1.4-Elements einen hohen Spannungspegel und funktionieren auch als Wechselrichter.

Dadurch haben beide Eingänge des DA4-Treibers einen hohen Spannungspegel, die Gates beider Transistoren VT1 und VT2 haben einen niedrigen Pegel, sind also geschlossen. Es wird kein Durchgangsstrom durch sie fließen. Bei gegenphasigen Signalen an den Ausgängen der Komparatoren und dementsprechend an den Eingängen von DD1.1 liegt an Pin 3 von DD1.1 ein hoher Spannungspegel an. Nach der Invertierung im Logikelement DD1.2 übersetzt ein niedriger Spannungspegel die Logikelemente DD1.3 und DD1.4 in Signalverstärker. Daher werden die Signale von den Ausgängen der Komparatoren DA1 und DA2 unverändert an die Ausgänge des Treibers DA1 weitergeleitet. Einer der Transistoren ist geöffnet, der andere geschlossen.

Eine stabilisierte Versorgungsspannung von 10 V wird von der Mikroschaltung L4810CV (DA3) erzeugt, die über einen 1,5-A-Ausgangsstrom-Überlastschutz und eine automatische Abschalteinheit verfügt, wenn die Temperatur über den maximal zulässigen Wert steigt. Diese Mikroschaltung behält den Spannungsstabilisierungsmodus bei, wenn die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang auf 0,5 V absinkt. Sie wird von der Ausgangsspannung des Gleichrichters gespeist.

Synchrongleichrichter
Fig. 2

Der Synchrongleichrichter ist auf einer einseitig folierten Leiterplatte aus 1,5 mm dickem Glasfaser montiert, seine Zeichnung ist in Abb. 2 dargestellt. 1. Darauf sind alle Teile montiert, bis auf den Glättungskondensator C1. Wenn die Transistoren VT2 und VTXNUMX sehr heiß sind, werden sie auf Kühlkörpern installiert. Für ihre Platzierung auf der Tafel ist ein Platz vorgesehen.

Der Autor verwendet einen Synchrongleichrichter, um die Spannung aus der Sekundärwicklung des elektronischen Transformators Feron ET105 gleichzurichten. Darin ist die Sekundärwicklung mit zwei Drähten gewickelt, was den Abgriff aus der Mitte erleichtert. Um die Spannungswelligkeit bei der doppelten Netzfrequenz zu reduzieren, ist am Ausgang der Gleichrichterbrücke im Inneren des elektronischen Transformators ein Glättungsoxidkondensator mit einer Kapazität von 10 μF und einer Nennspannung von 400 V installiert. Die Frequenz der Ausgangsspannung des Transformators beträgt etwa 45 kHz. Diese Transformatoren haben eine Mindestleistungsgrenze, die berücksichtigt werden muss, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Durch einen Synchrongleichrichter erreicht dieser elektronische Transformator eine Ausgangsspannung von 12 V bei einem Laststrom von 9 A.

Der Glättungskondensator C1 der im Diagramm angegebenen Kapazität dient zur Gleichrichtung der Spannung mit einer Frequenz von 45 kHz. Natürlich kann ein Synchrongleichrichter auch zur Gleichrichtung einer Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz verwendet werden, indem die Kapazität des Glättungskondensators auf die gleiche Weise wie bei einem herkömmlichen (asynchronen) Vollweggleichrichter berechnet wird.

Autor: V. Kalaschnik

Siehe andere Artikel Abschnitt Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter.

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