Чоппер (электроника) - Chopper (electronics)

Схема инвертора, использующего вибратор в качестве прерывателя.

В электронике , A прерыватель цепи представляет собой любой из многочисленных типов электронных переключающих устройств и схем , используемых в управлении мощностью и применения сигналов. Прерыватель - это устройство, которое напрямую преобразует постоянный входной постоянный ток в переменное выходное постоянное напряжение. По сути, прерыватель - это электронный переключатель, который используется для прерывания одного сигнала под управлением другого.

В приложениях силовой электроники , поскольку переключающий элемент либо полностью включен, либо полностью выключен, его потери низкие, и 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 _o = V / (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, в том числе:

Импульсные источники питания , включая преобразователи постоянного тока в постоянный .
Регуляторы скорости для двигателей постоянного тока
Приведение в движение бесщеточных моментных двигателей постоянного тока или шаговых двигателей в приводах
Электронные усилители класса D
Коммутируемые конденсаторные фильтры
Частотно-регулируемые приводы
Повышение постоянного напряжения
Электромобили с батарейным питанием
Зарядные устройства для аккумуляторов
Железнодорожная тяга
Освещение и управление лампами

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 можно контролировать разными способами, 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 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 использует 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 усилителях звука и компьютере. Источники питания.

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

Изменяемая ширина и частота импульса объединяют изменения как ширины импульса, так и частоты повторения.

Усилители-прерыватели

Одно из классических применений схемы прерывателя, и этот термин все еще используется, - это усилители-прерыватели . Это усилители постоянного тока . Некоторые типы сигналов, которые нуждаются в усилении, могут быть настолько малы, что требуется невероятно высокое усиление , но усилители постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления намного сложнее построить с низким смещением и шумом 1 / , разумной стабильностью и полосой пропускания . Вместо этого гораздо проще построить усилитель переменного тока . 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 создания пиковольтметров и датчиков Холла . ${\ displaystyle f}$

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 меняется со временем и температурой, эти методы также называются усилителями с "нулевым дрейфом" (поскольку нет дрейфа входного напряжения смещения со временем и температура). Связанные методы, которые также дают эти преимущества нулевого дрейфа, - это усилители с автоматической установкой нуля и стабилизаторами с 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.

Некоторыми примерами усилителей с прерывателем и автоматическим обнулением являются LTC2050, MAX4238 / MAX4239 и OPA333.

Формулы

Повышающий измельчитель

Возьмем общий повышающий прерыватель с источником напряжения, включенным последовательно с индуктором , диодом и нагрузкой со средним напряжением . Переключатель прерывателя должен быть подключен параллельно последовательному диоду и нагрузке. Когда переключатель прерывателя включен, выход замыкается. Используя закон Кирхгофа для определения напряжения индуктора , ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle V_ {ave}}$

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

И принимая средний ток за время выключения,

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

Где - время, в течение которого присутствует напряжение нагрузки и изменяется ток по отношению к . Когда переключатель прерывателя выключен и используется закон Кирхгофа для определения напряжения индуктора относительно среднего тока в течение времени включения, ${\ displaystyle T_ {ON}}$ ${\ displaystyle \ Delta i}$ ${\ displaystyle T_ {ON}}$

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

Где время, когда напряжение нагрузки равно нулю. Приравнивая средний ток и рабочий цикл , ${\ displaystyle T_ {OFF}}$ ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {T_ {ON}} {T_ {ON} + T_ {OFF}}}}$

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

где - среднее выходное напряжение. ${\ displaystyle V_ {ave}}$

Понижающий измельчитель

Возьмем общий понижающий прерыватель с источником напряжения, который включен последовательно с переключателем прерывателя, индуктором и нагрузкой с напряжением . 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 ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {o}}$

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

где - среднее выходное напряжение , - коэффициент заполнения и - напряжение источника. ${\ displaystyle V_ {ave}}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$

Повышающий / понижающий измельчитель

Если взять обычный понижающий-повышающий прерыватель, который работает как повышающий и понижающий прерыватели, пусть источник напряжения будет включен последовательно с переключателем прерывателя, диодом с обратным смещением и нагрузкой с напряжением . 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 ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {o}}$

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

где - среднее выходное напряжение , - коэффициент заполнения и - напряжение источника. ${\ displaystyle V_ {ave}}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$

Смотрите также

использованная литература

^ Патент США 7132883 - измельчитель измельчитель-стабилизированного КИП и операционные усилители
^ LTC2050
^ MAX4238 / MAX4239
^ OPA333
^ ^a ^b ^c Сингх, Мэриленд (2007-07-07). Силовая электроника . Тата Макгроу-Хилл Образование. ISBN 9780070583894.

Литература

К. Энц, Г. Темес, Схемные методы для уменьшения влияния недостатков операционных усилителей: автоматическое обнуление, коррелированная двойная выборка и стабилизация прерывателя - Труды IEEE , т. 84 No. 11, ноябрь 1996 г.
А. Билотти, Г. Монреаль, Усилители, стабилизированные прерыванием, с демодулятором сигнала слежения и удержания - Технический документ Allegro STP 99-1
A. Bakker, K. Thiele, J. Huijsing, Инструментальный усилитель CMOS с вложенным прерывателем и смещением 100 нВ - IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35 No. 12, декабрь 2000 г.

[1] Патент США 7132883 - измельчитель измельчитель-стабилизированного КИП и операционные усилители

[2] LTC2050

[3] MAX4238 / MAX4239

[4] OPA333

[:1-5] Сингх, Мэриленд (2007-07-07). Силовая электроника . Тата Макгроу-Хилл Образование. ISBN 9780070583894.

Languages

In other projects