Actieve gelijkrichterbrug

Meer een vraag dan een opmerking; en al helemaal geen hulp.

Zo een circuit om een brugcel te vervangen? Of is de gelijkrichter nu meteen de regeling van een gestabiliseerde voeding?

Vraagje: de fasehoek van een gelijkrichter verandert automatisch wanneer de belasting toe neemt. Is dat hier ook het geval? Met een vaste fasehoek (duur van de geleiding) zou het met schakelaars (FET's) mogelijk zijn om te vroeg aan te gaan en energie terug te leveren aan het net.

Ik doorzie het circuit onvoldoende, denk ik.

Ja geen probleem hoor, vragen mag altijd natuurlijk!

Dit is alleen een circuit om een brugcel te vervangen, verder doet het niets bijzonders. Omdat MOSFETs een weerstand hebben in plaats van een relatief vaste spanningsval kunnen de verliezen kleiner zijn. De comparators kijken alleen wanneer de spanning over de interne diode groter is dan 0V en sturen de gate dan open.

Kijk maar eens naar het schema uit de datasheet: je zult zien dat de MOSFETs alleen worden aangestuurd met stroom van source naar drain. Je kunt dit aanpassen en stroom terugleveren na de top van de sinus, maar je kunt niet voorkomen dat de buffercapaciteit eerst opgeladen wordt tot de piekspanning van de sinus door de interne diode. Je kunt daarna de elco weer ontladen, maar dat is alleen in heel specifieke omstandigheden zinvol. Had je een toepassing in gedachte om dit te gebruiken?

Ha kruimel,

Interessant draadje ik gebruik de TEA2208T van NXP verleden jaar een proefje mee gedaan twee weken terug een paar samples van de nieuwe versie ontvangen.
De versie van LT heb ik ook wel ergens maar persoonlijk vind ik de NXP interessanter....
Ik lees belangstellend mee.

Groet,
Henk.

Je zou de MOSFETs met reguliere drivers kunnen aansturen, en de stuursignalen maken met een microcontroller, als je die toch al zou hebben, bijvoorbeeld bij een motordrive. Om terug te kunnen leveren moet er nog wel een spoel tussen, of de lekinductie van de transformator moet groot genoeg zijn.

Maar dan zit je nog steeds met een ouderwetse ijzeren transformator; grote schakelende voedingen gebruiken doorgaans al synchrone rectificatie, en je zou het kunnen toepassen direct op 230V om 325VDC te maken, maar dat is in mijn beleving niet zo gangbaar voor hobbyisten, en dan zijn de stromen doorgaans zo klein dat een normale gelijkrichter een prima oplossing is.

Ik vraag me dus vooral af wat het nut van zo'n schakeling nog is, ik heb massa's blok- en ringkern transformators die ik nooit gebruik omdat een gestabiliseerde schakelende voeding eigenlijk altijd handiger is.

Het belangrijkste nut is dat deze manier minder warmte genereert. Maar dat heeft naar mijn mening alleen zin bij grote stromen.
Tegenwoordig gebruik ik ook alleen maar schakelende voedingen, veel handiger dan een trafo met gelijkrichter en stabilisator.

Precies; ik gebruik zo zelden nog 50Hz transformators, en al helemaal niet voor grote stromen, dat ik zelf het nut er niet van inzie. Misschien bestaat dat nog wel voor audio toepassingen, maar dat zijn de stromen doorgaans zo klein dat de verliezen ook wel meevallen.

Je kunt dit ook doen met alleen een paar MOSFETs (2x N-channel en 2x P-channel), weerstanden en zenerdiodes, mits de spanning hoog genoeg is om de MOSFETs in geleiding te trekken (~7V of zo).

Hi,

Ik zie geen grote voordelen van het NXP IC, als je kijkt hoeveel rendement voordeel je krijgt bij b.v. 110V AC Netspanning zoals in de datasheet.
Neem je nu 230V dan is het rendement voordeel van een actieve gelijkrichting nihil of je moet weer met hele grote stromen gaan werken.
Ik denk dat NXP zeker zal hebben uitgezocht of er een markt voor is, kost toch veel geld zo'n IC op e markt te brengen.
Voorlopig zie ik niet direct wat hun markt zo kunnen zijn, maar dat zal mijn gebrek aan kennis hierover zijn.
Voor lagere spanningen is het IC van NXP niet geschikt, iets van 22V geven ze aan.

Mijn testen geven aan dat het LT IC zeer goed werkt bij lage spanningen, LT zegt minimaal 10V DC aan de uitgang.
En ja, ook dat wordt een steeds kleinere markt doordat een goed ontwikkelde SMPS vaak voldoet en kosten effectief is.

Oja dan nog dit, er werd opgemerkt dat je de MOSFet ook nog kan gebruiken om het laden van de buffer Elco te beperken om het energie verlies lager te maken.
Dat is eigenlijk het zelfde als wat ik heb laten zien in mijn NA voedingsproject, nadeel? een rammelende trafo!
Het relatief snel afschakelen van de laadstroom vind de trafo niet leuk, dan moet je de dat afschakelen weer trager maken en dat resulteert dan weer in meer verlies in je MOSFet’s.

Dat systeem werkt verder wel goed als je het goed configureert voor je gebruikte transformator, met een klein beetje ratel geluid uit je transformator.
Net als de oude Thyristor geregelde voedingen.

Groet,
Bram

Ha blackdog,

Ik had het ook niet over voordelen ( die zijn er wel ) maar voor mij interessanter
Waarom omdat boven de 400 V uitkwam en een redelijke stroom moest verwerken !
Voor een kleine voeding zoals wij die over het algemeen gebruiken zal de winst in het rendement ergens op 2,5 % blijven steken dus verwaarloosbaar klein in verhouding met de romp slomp.
Deze techniek altijd zonder trafo gebruiken......

Het gebruik is in de industrie, televisie sets, pc, maar vooral de voedingen van servers !

Groet,
Henk.

IRF had hier een interesante application note over (PCIM 2008)
http://www.irf.com/technical-info/whitepaper/tp-080527.pdf (Met dank aan Ome Google)
Ik heb het toen gebouwd, de schakeling was een beetje kieskeurig met componenten keuze, maar werkte fantasties.
Helaas hadden ze toendertijd een probleem genoeg componenten te produceren en hebben wij de MCU approach moeten nemen, het was onmogelijk voor een kleine firma om deze componenten te kopen.

Dat is best een interessant document, maar oogt wat complex. Voordeel is dat het vrij oud is en de MOSFETs die je tegenwoordig kan krijgen een aanzienlijk lagere R_DSon hebben. De bovenstaande schakeling is overigens ook niet het voorbeeld van simpliciteit, maar deze componenten (op de MOSFETs na) kosten allemaal rond de €0,10 of minder en heb je wellicht al liggen. Als je een middag niets te doen hebt kan je makkelijk zo een module in elkaar solderen. Ik heb de eerste versie op gaatjesprint gesoldeerd met de MOSFETs en elco's van een sloopprint:

Op 20 maart 2021 11:37:27 schreef SparkyGSX:
[...]
Ik vraag me dus vooral af wat het nut van zo'n schakeling nog is, ik heb massa's blok- en ringkern transformators die ik nooit gebruik omdat een gestabiliseerde schakelende voeding eigenlijk altijd handiger is.

Nuttig is dit wat mij betreft nauwelijks, ik doe dit voor de hobby en zoek niet naar een hoger doel. Met de trafospanningen die ik zou gebruiken voor een hobbyvoeding (in mijn geval 20V/3,5A) werkt dit prachtig, daarboven moet je al snel zoeken naar een argument. In mijn 24V voeding heb ik een halve brug gemaakt, en daar merk ik al een relatief hoge dissipatie op bij vollast (MOSFETs op 90°C bij 4,5A_RMS per FET). Daar had ik 100V MOSFETs nodig en die hebben een onevenredig hogere R_DSon. Er zijn wel betere te krijgen, maar ik denk dat een 60V trafo de praktische limiet is. Deze toepassing roept bij mij geen associaties op met MCU's trouwens, ik zie niet hoe dat het simpeler zou maken.

Op 20 maart 2021 14:38:38 schreef blackdog:
Oja dan nog dit, er werd opgemerkt dat je de MOSFet ook nog kan gebruiken om het laden van de buffer Elco te beperken om het energie verlies lager te maken.
Dat is eigenlijk het zelfde als wat ik heb laten zien in mijn NA voedingsproject, nadeel? een rammelende trafo!
Het relatief snel afschakelen van de laadstroom vind de trafo niet leuk, dan moet je de dat afschakelen weer trager maken en dat resulteert dan weer in meer verlies in je MOSFet’s.

Dit kwam in dat 24V voedingstopic ook op, maar dit kan helaas niet. De MOSFETs worden alleen open gestuurd als er stroom van source naar drain kan, dus in de richting van de parasitaire diode. Als je de MOSFET dan uitschakelt zal de diode de stroom gewoon overnemen en heb je geen verdere controle, maar wel een hete MOSFET. Als je dat wil moet je [een] MOSFETs toevoegen in serie met de brugcel.

Op 20 maart 2021 20:04:28 schreef Kruimel:
Als je dat wil moet je MOSFETs toevoegen in serie met de brugcel.

Eigenlijk is eentje genoeg. Die plaats je tussen de + van je gelijkrichter en de + van de bufferelco

Het is jammer om te zien dat het mooie alternatief voor een duur IC gelijk weer de grond in word geboord met opmerking als dat het nut van de schakeling voor niche markt is. En dat ju8ist in de tijd dat alles groener moet worden is dit zeker een goede aanvulling en wil deze schakeling te zijner tijd wel gaan gebruiken in mijn wat zwaardere Delta voedingen.

ergens op 2,5 % blijven steken dus verwaarloosbaar klein in verhouding met de romp slomp.

Even rekenen een 24V 10A voeding. Spanning op de buffer elco is 30V dus daar 6 x 10 = 60W verlies. Verlies over de diodes 10A x 1V * 2 = 20W.

De winst die gehaald kan worden is dus wel een stuk meer dan 2,5% hier in dit voorbeeld ca 25%. En bij een 1A voeding verandert er daar weinig aan behalve dat de spanning over de diodes wel meer richting de 0,6V kan maar de spanning over de buffer elco kan ook nog beter. 2,5% is het zeker niet.

Wel zal bij een 1A voeding het extra verlies van 2W in de diodes nog niet echt zinnig zijn om daar wat aan te gaan doen maar 20W is toch zeker wel de moeite waard en of je geld uitgeeft aan een koelblok of deze schakeling is dan een makkelijke keuze.

Deze techniek altijd zonder trafo gebruiken......

Dat snap ik helemaal niet ook in een smps zit een trafo.

Was dit soort gelijkrichting niet ideaal in situaties waarbij een
snelle recovery nodig was en een high reverse voltage?

Op 20 maart 2021 20:16:53 schreef benleentje:
Het is jammer om te zien dat het mooie alternatief voor een duur IC gelijk weer de grond in word geboord met opmerking als dat het nut van de schakeling voor niche markt is. En dat ju8ist in de tijd dat alles groener moet worden is dit zeker een goede aanvulling en wil deze schakeling te zijner tijd wel gaan gebruiken in mijn wat zwaardere Delta voedingen.
[...]Even rekenen een 24V 10A voeding. Spanning op de buffer elco is 30V dus daar 6 x 10 = 60W verlies. Verlies over de diodes 10A x 1V * 2 = 20W.

De winst die gehaald kan worden is dus wel een stuk meer dan 2,5% hier in dit voorbeeld ca 25%. En bij een 1A voeding verandert er daar weinig aan behalve dat de spanning over de diodes wel meer richting de 0,6V kan maar de spanning over de buffer elco kan ook nog beter. 2,5% is het zeker niet.

Wel zal bij een 1A voeding het extra verlies van 2W in de diodes nog niet echt zinnig zijn om daar wat aan te gaan doen maar 20W is toch zeker wel de moeite waard en of je geld uitgeeft aan een koelblok of deze schakeling is dan een makkelijke keuze.

In een ordinaire deltavoeding waarbij je de gelijkrichtdioden vervang door verliesloze dioden heb je geen energiewinst. Alle energieverlies die je bespaar in je dioden raak je weer kwijt in je regeltransistor. De spanning op je bufferelco's is immers 1,4V hoger dan bij gebruik van gewone dioden.

Op 20 maart 2021 20:16:53 schreef benleentje:
Het is jammer om te zien dat het mooie alternatief voor een duur IC gelijk weer de grond in word geboord met opmerking als dat het nut van de schakeling voor niche markt is. En dat ju8ist in de tijd dat alles groener moet worden is dit zeker een goede aanvulling en wil deze schakeling te zijner tijd wel gaan gebruiken in mijn wat zwaardere Delta voedingen.

De enige meerwaarde is dat je maximale uitgangsspanning iets hoger is. In de lagere regionen is er juist milieuverlies omdat de schakeling omvangrijker is dan 4 diodes en dus grotere materiaalverliezen geeft. De electrische verliezen zijn precies even hoog maar worden van plaats verschoven.

Tenzij je de sinus gaat aansnijden natuurlijk, dan zijn de FET's iets beter dan de thyristoren of triacs die Delta gebruikte. Dan heb je het alleen niet over een vervanging van een gelijkrichter.

Kan voor sommige toepassingen best een niche zijn, misschien zelfs een grote niche. Dat heeft niets te maken met in de grond boren. Althans voor mij is niche geen negatief woord maar duidt juist op een optimale oplossing voor specifieke gevallen. Retrofitten lijkt in jouw geval geen zinnige toepassing, hoe 'cool' ook.

@benleentje: als het "groen" moet zijn, ga je al fundamenteel fout met een ijzeren transformator, die kan over het hele gebied (nullast, lage belasting, hoge belasting) niet op tegen het rendement van een fatsoenlijke SMPS, en kwa kostprijs ook al lang niet meer, en dan heb ik nog niet eens meegenomen dat je voor een stabiele spanning altijd hoog moet mikken (vanwege variaties in de netspanning) en de rest weg moet stoken met een lineaire regelaar; niet bepaald "groen".

Blijkbaar is vragen waarom bij jou gelijk aan iets de grond in boren; edoch lijkt het erop dat je zelf ook geen steekhoudend argument vóór hebt.

Je rekent trouwens met 25% van het verlies, terwijl de anderen het volgens mij over 2.5% van het totale verbruik hebben.

Een SMPS heeft in veruit de meeste gevallen ook een transformator, maar het verschil is dat daar een IC in zit voor de aansturing, die ook de stuursignalen voor de secundaire MOSFETs kan maken.

Ha maartenbakker,

Dat is niet helemaal juist omdat de gehele sinus gebruikt wordt door de controller is de THD zo'n 70 % beter als bij een diode gelijkrichter.
Het voordeel zit hem in een SMPS dus zonder trafo het net wordt veel zuiverder belast en de PFC is veel minder complex in mijn ontwerpen....
Maar als je alleen het verlies van de gelijkrichter in ogenschouw neemt dan heb je gelijk.
Door de zuivere belasting scheelt dit verliezen door warmte ontwikkeling in de aanvoer voor een data centre van een omvang Eemshaven is dit heel...heel veel op jaarbasis dus toch goed voor het milieu

Groet,
Henk.

Ik had een voeding met een ijzeren trafo en een lineaire naregeling in gedachten, maar ik zie ook nog even niet hoe het 70% uitmaakt bij directe belasting op het net. Je nuldoorgangen zijn inderdaad mooier (op voorwaarde dat je de gehele sinus stroom trekt, anders maakt het niet uit) maar scheelt dat 70%? Ik schreef net in een ander topic dat goniometrie niet m'n sterkste vak was, daar zal ik nu wel tegenaan lopen.

Ik kan me wel iets bij die 70% voorstellen.
In de ene situatie (dikke trafo, grove gelijkrichter) is de THD 1%, In een moderne hightech SMPS-voeding met PFC en actieve gelijkrichter is de THD 0,3%, dus die is 70% beter.

Maar neem nu een SMPS voeding met actieve PFC met brugcel versus met actieve gelijkrichter. Daar zit ergens in de nuldoorgang een heel klein sprongetje.

Dit komt natuurlijk weer als mosterd na de maaltijd, maar dat is mijn specialiteit.

Bij lage spanning kun je zo'n actieve brug maken met een enkele quad opamp. Stond ooit een artikel van in elektuur juli 2006
https://archive.org/details/elektuur-513-2006-7-8/page/65/mode/2up
https://www.eeweb.com/extreme-circuits/power-mosfet-bridge-rectifier

Infineon koppelt het ontwerp van een mosfet brug aan powerfactor correctie, daarmee zou je een hele nette netvoeding kunnen maken als je dat aandurft ( ik niet ):
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-MOSFET_CoolMOS_S7_600V_active_b…

Ik lees net pas dat Maarten datzelfde idee had.

Valt wel mee toch? Ik vind je links best interessant namelijk, die van Infineon had ik nog niet gezien. Voor het spanningsbereik waar ik beoog te werken is het document niet zo belangrijk, maar ik vind deze dingen altijd interessant om te lezen. Soms steek je er meer van op dan je initieel verwacht.

Dat Elektuur ontwerp komt me wel bekend voor, volgens mij heb ik het weleens eerder gezien. Ik had er totaal niet meer aan gedacht toen ik hiermee bezig was. Leuk dat je het weer onder mijn aandacht brengt! Het is zeker een handige oplossing voor een relevant spanningsbereik (6-18V) en niet al te grote stromen. P-kanaals MOSFETs hebben vaak een aanzienlijk grotere R_DSon (voor dezelfde prijs) en dat beperkt de maximale stroom. Mijn filosofie is dat ik liefst zo veel mogelijk algemeen verkrijgbare onderdelen gebruik, en P-kanaals MOSFETs zitten wat mij betreft al in het grijze gebied.

Op 20 maart 2021 11:37:24 schreef electron920:
Interessant draadje ik gebruik de TEA2208T van NXP verleden jaar een proefje mee gedaan twee weken terug een paar samples van de nieuwe versie ontvangen.
De versie van LT heb ik ook wel ergens maar persoonlijk vind ik de NXP interessanter....

Verhip, ik zie nu pas dat je een ander IC benoemde, ik wist niet dat er equivalente componenten bestonden! Leuk om te zien dat er meer te krijgen is dan alleen de LT.

De geïntegreerde oplossingen simuleren een hele brugcel, maar voor mijn 24V voeding had ik een 2x30V trafo, en halve brug gelijkrichting was logischer. Om te zorgen dat ik maar één comparatorchip hoefte te gebruiken heb ik de middenaftakking van de trafo aan de positieve kant van de bufferelco's gezet om deze schakeling te emuleren:

Dan wordt de resulterende gelijkrichter meteen een stuk simpeler om te bekijken en analyseren:

Het is hier al te zien dat er een aantal wijzigingen nodig waren om de hogere spanning van de trafo te kunnen weerstaan:

• Een HV spanningsregelaar (de LR645);
• De spanningsdeler is niet meer alleen met weerstanden opgebouwd.

Er zitten ook nog weerstanden aan de ingangen van de IC's, maar volgens mij zijn die eigenlijk niet nodig. De IC's hebben gespecificeerde maximale ingangsstroom van 250nA wat met een 10kΩ weerstand een maximale extra afwijking van 2,5mV zou betekenen, wat in dezelfde ordegrootte is als de offset van de opamp zelf (typ 1mV, max 5mV). De tijd dat MOSFET in de regio is dat hij per ongeluk aan zou kunnen staan terwijl dat het niet de bedoeling is zal daarmee niet in het bijzonder lang zijn, en de stroom bij die spanning de verkeerde kant op loopt niet echt groot (7,5mV/R_DSon).

Het gebruik van de LR645 vind ik niet optimaal, liefst zou ik onderdelen gebruiken waarvan verwacht kan worden dat je die hebt liggen. Dit component moet je echt bestellen, want haast niemand zal het toevallig hebben liggen. Ik heb gespeeld met een aantal opties:

• Een LM317HV gebruiken, maar die zijn ook niet alledaags en ik heb ze nog niet in TO-92 gezien;
• Een LM317L gebruiken met iets van 15V uit, dan mag de piekspanning 40+15=55V zijn, maar ben je de stroombegrenzing kwijt;
• Een emittervolger met een normale BJT gebruiken, maar die zijn ook niet stroombegrensd;
• Een cascade van LM317L gebruiken zoals deze, met de wetenschap dat je circuit er niet kleiner van wordt, je bent hier alleen de thermische bescherming kwijt:

  

• Proberen iets slimmers te bedenken.

Dat laatste heb ik geprobeerd, en het eerste waar ik op kwam was dit:

Deze transistoren vormen een soort tryristor die triggert als er ongeveer 3,4V over staat en stopt met geleiden als de zenerdiode de basisstroom van Q2 begint weg te trekken. Dan zal de zenerspanning waarschijnlijk ook iets dalen en de nepthyristor waarschijnlijk stil blijven tot de volgende hobbel van de transformatorspanning.

Deze schakeling is me nog steeds een beetje te complex, maar lost wel een aantal problemen op:

• Afhankelijkheid van een elco met een hoge spanning;
• Teveel dissipatie door langsregeling bij hoge spanningen;
• Een vergroting van het spanningsbereik over welke je de schakeling kan gebruiken;
• Afhankelijkheid van lastig te krijgen componenten, hier kunnen standaardcomponenten in.

Waarschijnlijk moet ik er nog een nachtje over slapen, maar het leek me een leuk uitgangspunt om mee te spelen.

@Kruimel,
Ik zou het mijzelf gemakkelijk maken.
De gelijkspanning over de LM393 is 15V.
In maximaal één van de twee weerstanden loopt een stroom. Deze is 3mA, nl 15V/4,7kΩ.
Tussen de 42V bufferelco en de 15V voeding zet je een weerstand ipv de (exotische) spanningsregelaar. De waarde van de weerstand is 10kΩ. (Beter is 8k2) Het vermogen van de weerstand wordt ca 300mW. Over C2 zet je een zener van 15V. Eigenlijk is dit een primitieve shuntregelaar met een 8.2kΩ weerstand en 15V zener.

NB:
Al je electronica wordt gevoed vanuit de bufferelco C4.

@Kruimel: je gebruikt de LM393 nu met een signaal onder de ground; de datasheet stelt dat "near ground" mag, maar niet specifiek onder de ground. Je hebt een maximale input offset van 3mV, en als ik het goed zie gaat de MOSFET pas weer sperren als de spanning daarover weer boven de ground komt, en op dat moment loopt er dus een stroom vanuit de elco door de secundaire wikkeling van de transformator. Met een Rdson van 36mR zou dat 100mA zijn; dat valt dus nog wel mee.

Tegelijk zou de offset ook precies andersom kunnen zijn, waarbij eerst de body diode van de MOSFET in geleiding gaat, waardoor de spanning op de ingang van de comparator negatief wordt, deze de MOSFET gaat aansturen, maar daardoor wordt de spanning over de MOSFET weer zodanig klein dat de comparator weer omslaat. Dit kan dus ook alleen gebeuren bij een stroom kleiner dan 100mA, maar dat wordt meer naarmate je betere MOSFETs gaat gebruiken.

Ik heb ooit iets dergelijks ontworpen hier op het forum voor een acculader, waarbij de spanning over de MOSFET door een opamp constant gehouden werd, en daarmee kon er dus nooit een negatieve stroom gaan lopen.