Chopper (elektronika) - Chopper (electronics)

Schéma střídače využívajícího vibrátor jako vrtulník.

V elektronice je chopperový obvod některým z mnoha typů elektronických spínacích zařízení a obvodů používaných v aplikacích řízení výkonu a signálu. Chopper je zařízení, které přímo převádí pevný stejnosměrný vstup na proměnné stejnosměrné výstupní napětí. V podstatě je chopper elektronický spínač, který slouží k přerušení jednoho signálu pod kontrolou druhého.

V aplikacích výkonové elektroniky , protože spínací prvek je buď plně zapnutý nebo zcela vypnutý, jsou jeho ztráty nízké a obvod může poskytovat vysokou účinnost. Proud dodávaný do zátěže je však přerušovaný a může vyžadovat vyhlazení nebo vysokou spínací frekvenci, aby se zabránilo nežádoucím účinkům. V obvodech zpracování signálu použití chopperu stabilizuje systém proti unášení elektronických součástek; původní signál může být obnoven po zesílení nebo jiném zpracování synchronním demodulátorem, který v podstatě nedělá proces „sekání“.

Porovnání (krok dolů vrtulník a krok nahoru vrtulník)

Porovnání mezi krokovým a sestupným vrtulníkem:

	Stáhni vrtulník	Posilte vrtulník
Rozsah výstupního napětí	0 až V voltů	V až +∞ voltů
Poloha přepínače chopperu	V sérii se zátěží	Paralelně se zátěží
Výraz pro výstupní napětí	VL dc = D × V voltů	V _o = V/(1 - D) voltů
Externí indukčnost	Není požadováno	Vyžaduje se pro zvýšení výstupního napětí
Použití	Pro motoristický provoz, pro zatížení motoru	Pro regenerativní brzdění pro zatížení motoru.
Typ vrtulníku	Jediný kvadrant	Jediný kvadrant
Kvadrant provozu	1. kvadrant	1. kvadrant
Aplikace	Regulace otáček motoru	Nabíjení baterie/zesilovače napětí

Aplikace

Chopperové obvody se používají ve více aplikacích, včetně:

Spínané napájecí zdroje , včetně měničů DC na DC .
Regulátory otáček pro stejnosměrné motory
Pohon střídavých momentových motorů nebo krokových motorů v akčních členech
Elektronické zesilovače třídy D.
Přepínané kondenzátorové filtry
Frekvenční měniče
Zesílení stejnosměrného napětí
Elektromobily na baterie
Nabíječky baterií
Železniční trakce
Ovládání osvětlení a světel

Strategie ovládání

U všech konfigurací střídače pracujících z pevného stejnosměrného vstupního napětí je průměrná hodnota výstupního napětí řízena periodickým rozepínáním a sepínáním spínačů použitých v obvodu střídače. Průměrné výstupní napětí lze ovládat různými technikami, konkrétně:

Modulace šířky pulsu
Frekvenční modulace
Variabilní frekvence, variabilní šířka pulzu
Ovládání CLC

Při modulaci šířky impulzů jsou spínače zapnuty při konstantní frekvenci sekání. Celková doba jednoho cyklu výstupního průběhu je konstantní. Průměrné výstupní napětí je přímo úměrné době zapnutí měniče. Poměr doby zapnutí k celkovému času je definován jako pracovní cyklus. Může se pohybovat mezi 0 a 1 nebo mezi 0 a 100%. Modulace šířky pulsu (PWM) nebo modulace délky pulsu (PDM) je technika používaná ke kódování zprávy do pulzního signálu. Ačkoli tuto modulační techniku lze použít ke kódování informací pro přenos, jejím hlavním využitím je umožnit řízení výkonu dodávaného do elektrických zařízení, zejména do setrvačných zátěží, jako jsou motory. Průměrná hodnota napětí (a proudu) přiváděného do zátěže se ovládá rychlým zapínáním a vypínáním přepínače mezi napájením a zátěží. Čím déle je vypínač ve srovnání s vypnutými časy, tím vyšší je celkový výkon dodávaný do zátěže. Frekvence spínání PWM musí být mnohem vyšší, než jaká by ovlivňovala zátěž (zařízení, které využívá energii), což znamená, že výsledný tvar vlny vnímaný zátěží musí být co nejhladší. Přepínání se obvykle musí provádět několikrát za minutu v elektrickém sporáku, 120 Hz v stmívači lampy, od několika kilohertzů (kHz) do desítek kHz pro motorový pohon a do desítek nebo stovek kHz v audio zesilovačích a počítači zásoby energie.

Při frekvenční modulaci se generují impulsy s pevnou amplitudou a délkou trvání a průměrná hodnota výstupu se upravuje změnou frekvence generování impulsů.

Variabilní šířka a frekvence pulsu kombinuje jak změny šířky pulsu, tak i rychlosti opakování.

Chopper zesilovače

Jedno klasické použití pro chopperový obvod a tam, kde se termín stále používá, je v chopperových zesilovačích . Jedná se o DC zesilovače. Některé typy signálů, které vyžadují zesílení, mohou být tak malé, že je vyžadován neuvěřitelně vysoký zisk , ale DC zesilovače s velmi vysokým ziskem se budují mnohem hůře s nízkým ofsetem a 1/ šumem a přiměřenou stabilitou a šířkou pásma . Je mnohem jednodušší místo toho postavit AC zesilovač. Obvod chopperu se používá k rozbití vstupního signálu, aby mohl být zpracován, jako by to byl střídavý signál, a poté integrován zpět na stejnosměrný signál na výstupu. Tímto způsobem lze zesílit extrémně malé DC signály. Tento přístup se často používá v elektronických přístrojích, kde je zásadní stabilita a přesnost; například je možné použít tyto techniky ke konstrukci piko-voltmetrů a Hallových senzorů . ${\ displaystyle f}$

Vstupní offset napětí zesilovačů se stává důležité, když se snaží zesílit slabé signály s velmi vysokým ziskem. Protože tato technika vytváří velmi nízký vstupní ofsetový napěťový zesilovač a protože se toto vstupní ofsetové napětí příliš nemění s časem a teplotou, nazývají se tyto techniky také zesilovače „nulového driftu“ (protože nedochází k posunu vstupního ofsetového napětí s časem a teplota). Související techniky, které také dávají tyto výhody nulového driftu, jsou zesilovače stabilizované automatickou nulou a chopper.

Zesilovače s automatickou nulou používají sekundární pomocný zesilovač ke korekci vstupního ofsetového napětí hlavního zesilovače. Zesilovače stabilizované chopperem používají kombinaci technik automatického nulování a chopperu, aby poskytly vynikající specifikace přesnosti DC.

Některé příklady zesilovačů chopper a auto-zero jsou LTC2050, MAX4238/MAX4239 a OPA333.

Vzorce

Posilovač chopper

Vezměme si obecný krokový střídač se zdrojem napětí, který je v sérii s induktorem , diodou a zátěží s průměrným napětím . Přepínač chopperu by byl souběžný se sériovou diodou a zátěží. Kdykoli je přepínač chopperu zapnutý, výstup je zkratován. Použití Kirchhoffova napěťového zákona při určování napětí induktoru , ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle V_ {ave}}$

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

A vezmeme-li průměrný proud v době vypnutí,

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

Kde je čas, kdy je přítomno zatěžovací napětí a proud změny vzhledem k . Kdykoli je přepínač chopperu vypnut a pomocí Kirchhoffova zákona o napětí při určování napětí induktoru s ohledem na průměrný proud v době zapnutí, ${\ displaystyle T_ {ON}}$ ${\ Displaystyle \ Delta i}$ ${\ displaystyle T_ {ON}}$

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

Kde je čas, kdy je napětí zátěže nulové. Rovnáním průměrného proudu a zohledněním pracovního cyklu , ${\ displaystyle T_ {OFF}}$ ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {T_ {ON}} {T_ {ON}+T_ {OFF}}}}$

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

kde je průměrné výstupní napětí. ${\ displaystyle V_ {ave}}$

Stupňovitý vrtulník

Vezmeme obecný krokový měnič se zdrojem napětí, který je v sérii s přepínačem, induktorem a zátěží s napětím . Dioda by byla souběžná se sériovým induktorem a zátěží. Stejným způsobem tím, že srovnáme průměrný proud induktoru během doby zapnutí a vypnutí, můžeme získat průměrné napětí ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {o}}$

${\ displaystyle V_ {ave} = \ alpha V_ {s}}$

kde je průměrný výstupní napětí , je pracovní cyklus a je zdrojem napětí. ${\ displaystyle V_ {ave}}$ ${\ Displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$

Step-up / step-down chopper

Vezmeme-li obecný buck-boost chopper, který funguje jako stepper a down chopper, ať je zdroj napětí v sérii s přepínačem chopperu, reverzní předpětí diody a zátěží s napětím . Induktor by byl paralelně se sériovou diodou a zátěží. Stejným způsobem tím, že srovnáme průměrný proud induktoru během doby zapnutí a vypnutí, můžeme získat průměrné napětí ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {o}}$

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

kde je průměrný výstupní napětí , je pracovní cyklus a je zdrojem napětí. ${\ displaystyle V_ {ave}}$ ${\ Displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$

Viz také

Reference

^ US Patent 7132883 - Chopper chopper stabilizované instrumentace a operační zesilovače
^ LTC2050
^ MAX4238/MAX4239
^ OPA333
^ ^a ^b ^c Singh, MD (2008-07-07). Výkonová elektronika . Vzdělávání Tata McGraw-Hill. ISBN 9780070583894.

Literatura

C. Enz, G. Temes, Obvodové techniky pro snížení vlivu nedokonalostí op -zesilovače: automatické nulování, korelované dvojité vzorkování a stabilizace chopperu - Proceedings of the IEEE , sv. 84 č. 11, listopad 1996
A. Bilotti, G. Monreal, Chopper-stabilizované zesilovače s Track-and-Hold Signal Demodulator -Allegro Technical Paper STP 99-1
A. Bakker, K. Thiele, J. Huijsing, A CMOS Nested-Chopper Instrumentation Amplifier with 100-nV Offset -IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35 č. 12, prosinec 2000

[1] US Patent 7132883 - Chopper chopper stabilizované instrumentace a operační zesilovače

[2] LTC2050

[3] MAX4238/MAX4239

[4] OPA333

[:1-5] Singh, MD (2008-07-07). Výkonová elektronika . Vzdělávání Tata McGraw-Hill. ISBN 9780070583894.

Languages

In other projects