Чоппер (электроника) - Chopper (electronics)

Схема инвертора, использующего вибратор как чоппер.

В электроника, а измельчитель Схема используется для обозначения многочисленных типов электронных переключающих устройств и схем, используемых в приложениях управления мощностью и сигнализации. Прерыватель - это устройство, которое напрямую преобразует постоянный входной постоянный ток в переменное выходное постоянное напряжение. По сути, чоппер - это электронный выключатель который используется для прерывания одного сигнала под управлением другого.

В силовая электроника В приложениях, поскольку переключающий элемент либо полностью включен, либо полностью выключен, его потери низкие, а схема может обеспечить высокий КПД. Однако ток, подаваемый на нагрузку, является прерывистым, и может потребоваться сглаживание или высокая частота переключения, чтобы избежать нежелательных эффектов. В схемах обработки сигналов использование прерывателя стабилизирует систему от дрейфа электронных компонентов; исходный сигнал может быть восстановлен после усиления или другой обработки синхронным демодулятором, который по существу не выполняет процесс "прерывания".

Сравнение (понижающий измельчитель и повышающий измельчитель)

Сравнение ступенчатого и понижающего измельчителя:

	Шаг вниз измельчитель	Шаг вверх измельчитель
Диапазон выходного напряжения	От 0 до В вольт	V до + ∞ вольт
Положение переключателя прерывателя	Последовательно с нагрузкой	Параллельно с нагрузкой
Выражение для выходного напряжения	VL dc = D × V вольт	V_о = В / (1 - D) вольт
Внешняя индуктивность	Не требуется	Требуется для повышения выходного напряжения
Использовать	Для моторного режима, для моторной нагрузки	Для рекуперативного торможения при нагрузке двигателя.
Тип измельчителя	Один квадрант	Один квадрант
Квадрант операции	1-й квадрант	1-й квадрант
Приложения	Контроль скорости двигателя	Бустеры для зарядки аккумуляторов / напряжения

Приложения

Цепи прерывателя используются во многих приложениях, включая:

Импульсные источники питания, включая Преобразователи постоянного тока в постоянный.
Регуляторы скорости для Двигатели постоянного тока
Бесщеточный DC моментные двигатели или же шаговые двигатели в приводы
Класс D электронные усилители
Коммутируемый конденсатор фильтры
Частотно-регулируемые приводы
Повышение напряжения постоянного тока
Электромобили на батарейках
Зарядные устройства для аккумуляторов
Железнодорожная тяга

Стратегии контроля

Для всех конфигураций прерывателя, работающих от фиксированного входного напряжения постоянного тока, среднее значение выходного напряжения регулируется путем периодического размыкания и замыкания переключателей, используемых в цепи прерывателя. Среднее выходное напряжение может контролироваться различными методами, а именно:

Широтно-импульсная модуляция
Модуляция частоты
Регулируемая частота, регулируемая ширина импульса
Управление CLC

При широтно-импульсной модуляции переключатели включаются с постоянной частотой прерывания. Общий период времени одного цикла формы выходного сигнала постоянен. Среднее выходное напряжение прямо пропорционально времени включения прерывателя. Отношение времени включения к общему времени определяется как рабочий цикл. Его можно варьировать от 0 до 1 или от 0 до 100%. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - это метод, используемый для кодирования сообщения в импульсный сигнал. Хотя этот метод модуляции может использоваться для кодирования информации для передачи, его основное применение - обеспечение возможности управления мощностью, подаваемой на электрические устройства, особенно на инерционные нагрузки, такие как двигатели. Среднее значение напряжения (и тока), подаваемого на нагрузку, регулируется путем быстрого включения и выключения переключателя между питанием и нагрузкой. Чем дольше переключатель находится во включенном состоянии по сравнению с периодами выключения, тем выше общая мощность, подаваемая на нагрузку. Частота ШИМ-переключения должна быть намного выше, чем то, что могло бы повлиять на нагрузку (устройство, которое потребляет мощность), то есть результирующая форма волны, воспринимаемая нагрузкой, должна быть как можно более плавной. Обычно переключение должно производиться несколько раз в минуту в электрической плите, 120 Гц в диммере лампы, от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода и до десятков или сотен кГц в аудиоусилителях и компьютере. Источники питания.

При частотной модуляции генерируются импульсы фиксированной амплитуды и длительности, а среднее значение выходного сигнала регулируется путем изменения частоты генерации импульсов.

Переменная ширина и частота импульса объединяют изменения ширины импульса и частоты повторения.

Усилители-прерыватели

Одно из классических применений схемы прерывателя, где этот термин все еще используется, находится в чопперные усилители. Это ОКРУГ КОЛУМБИЯ усилители. Некоторые типы сигналов, которые нуждаются в усилении, могут быть настолько малы, что невероятно высокие прирост требуется, но усилители постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления гораздо сложнее построить с низким смещением и 1 / ${ displaystyle f}$ шум и разумная стабильность и пропускная способность. Намного проще построить AC вместо усилителя. Схема прерывателя используется для разделения входного сигнала, чтобы его можно было обработать, как если бы это был сигнал переменного тока, а затем интегрировать обратно в сигнал постоянного тока на выходе. Таким образом можно усилить очень слабые сигналы постоянного тока. Этот подход часто используется в электронных приборах, где важны стабильность и точность; например, эти методы можно использовать для построения пиковольтметры и Датчики холла.

В входное напряжение смещения усилителей становится важным при попытке усилить слабые сигналы с очень высоким коэффициентом усиления. Поскольку этот метод создает усилитель с очень низким входным напряжением смещения, и поскольку это входное напряжение смещения не сильно изменяется со временем и температурой, эти методы также называются усилителями с "нулевым дрейфом" (поскольку нет дрейфа входного напряжения смещения со временем и температура). Связанные с этим методы, которые также дают эти преимущества нулевого дрейфа, - это усилители с автоподстройкой нуля и со стабилизацией прерыванием.

Усилители с автоматическим обнулением используют вторичный вспомогательный усилитель для коррекции входного напряжения смещения основного усилителя. Усилители, стабилизированные с помощью прерывателя, используют комбинацию методов автоматического обнуления и прерывания, чтобы обеспечить отличные характеристики точности по постоянному току.^[1]

Некоторыми примерами усилителей с прерывателем и автоматическим обнулением являются LTC2050,^[2] MAX4238 / MAX4239^[3] и OPA333.^[4]

Формулы

Повышающий измельчитель

Возьмем общий повышающий прерыватель с источником напряжения. ${ displaystyle V_ {s}}$ который включен последовательно с индуктором ${ displaystyle L}$ , диод и нагрузка со средним напряжением ${ displaystyle V_ {ave}}$ . Переключатель прерывателя должен быть параллелен последовательному диоду и нагрузке. Когда переключатель прерывателя включен, выход замыкается. С помощью Закон Кирхгофа о напряжении в определении индуктор Напряжение,

${ displaystyle L { frac {di} {dt}} = V_ {s}}$

И принимая средний ток за время выключения,

${ displaystyle { frac { Delta i} {T_ {ON}}} = { frac {V_ {s}} {L}}}$

Где ${ displaystyle T_ {ON}}$ это время, когда присутствует напряжение нагрузки и ${ displaystyle Delta i}$ изменение тока относительно ${ displaystyle T_ {ON}}$ . Когда переключатель измельчителя выключен и используется Закон Кирхгофа о напряжении при определении напряжения индуктора относительно среднего тока за время включения,

${ displaystyle { begin {align} L { frac {di} {dt}} & = V_ {ave} -V_ {s} { frac { Delta i} {T_ {OFF}}} & = { frac {V_ {ave} -V_ {s}} {L}}. конец {выровнено}}}$

Где ${ displaystyle T_ {OFF}}$ время, когда напряжение нагрузки равно нулю. Уравнивание среднего тока и рабочего цикла ${ displaystyle alpha = { frac {T_ {ON}} {T_ {ON} + T_ {OFF}}}}$ ,^[5]

${ displaystyle V_ {ave} = { frac {V_ {s}} {1- alpha}}}$

куда ${ displaystyle V_ {ave}}$ среднее выходное напряжение.

Понижающий измельчитель

Общий понижающий прерыватель с источником напряжения ${ displaystyle V_ {s}}$ который включен последовательно с переключателем прерывателя, индуктором и нагрузкой с напряжением ${ displaystyle V_ {o}}$ . Диод должен быть подключен параллельно индуктивности и нагрузке. Таким же образом, приравняв средний ток индуктора во время включения и выключения, мы можем получить среднее напряжение как ^[5]

${ Displaystyle V_ {аве} = альфа V_ {s}}$

куда ${ displaystyle V_ {ave}}$ это средний выход Напряжение, ${ displaystyle alpha}$ это рабочий цикл и ${ displaystyle V_ {s}}$ - напряжение источника.

Повышающий / понижающий измельчитель

Если взять обычный понижающе-повышающий прерыватель, который работает как повышающий и понижающий прерыватели, пусть источник напряжения ${ displaystyle V_ {s}}$ быть последовательно с переключателем прерывателя, диодом с обратным смещением и нагрузкой с напряжением ${ displaystyle V_ {o}}$ . Катушка индуктивности должна быть параллельна последовательному диоду и нагрузке. Таким же образом, приравняв средний ток индуктора во время включения и выключения, мы можем получить среднее напряжение как ^[5]

${ displaystyle V_ {ave} = { frac { alpha V_ {s}} {1- alpha V_ {s}}}}$