Чоппер (электроника)

Схема инвертора, использующего вибратор в качестве прерывателя.

В электронике — схема прерывателя это любой из многочисленных типов электронных переключающих устройств и схем, используемых в приложениях управления мощностью и сигнализации. Прерыватель — это устройство, которое напрямую преобразует фиксированное входное напряжение постоянного тока в переменное выходное напряжение постоянного тока. По сути, прерыватель — это электронный переключатель , который используется для прерывания одного сигнала под контролем другого.

В приложениях силовой электроники , поскольку переключающий элемент либо полностью включен, либо полностью выключен, его потери невелики, и схема может обеспечить высокий КПД. Однако ток, подаваемый на нагрузку, является прерывистым и может потребовать сглаживания или высокой частоты 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 с помощью синхронного демодулятора, который по существу отменяет процесс «прерывания».

Сравнение (понижающий и повышающий прерыватель)

Сравнение повышающего и понижающего прерывателя:

	Спуститься вниз чоппер	Шаг вперед чоппер
Диапазон выходного напряжения	0 to V volts	V to +∞ volts
Положение переключателя прерывателя	Последовательно с нагрузкой	Параллельно с нагрузкой
Выражение для выходного напряжения	VL dc = D × V volts	V o = V/(1 – D) volts
Внешняя индуктивность	Не требуется	Требуется для повышения выходного напряжения.
Использовать	Для автомобильного режима, для нагрузки двигателя	Для рекуперативного торможения под нагрузкой двигателя.
Тип измельчителя	Один квадрант	Один квадрант
Квадрант операции	1-й квадрант	1-й квадрант
Приложения	Контроль скорости двигателя	Зарядка аккумулятора/усилители 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
• Привод бесщеточных моментных двигателей постоянного тока или шаговых двигателей в приводах.
• класса D Электронные усилители
• Коммутируемые конденсаторные фильтры
• Частотно-регулируемые приводы
• Повышение напряжения постоянного тока
• Электромобили на аккумуляторах
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Железнодорожная тяга
• Управление освещением и лампами

Стратегии контроля

Для всех конфигураций прерывателя, работающих от фиксированного входного напряжения постоянного тока, среднее значение выходного напряжения контролируется периодическим размыканием и замыканием переключателей, используемых в цепи прерывателя. Среднее выходное напряжение можно контролировать различными методами, а именно:

• Широтно-импульсная модуляция
• Частотная модуляция
• Переменная частота, переменная ширина импульса
• CLC-управление

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 можно использовать для кодирования информации для передачи, его основное назначение — обеспечить контроль мощности, подаваемой на электрические устройства, особенно на инерционные нагрузки, такие как двигатели. Среднее значение напряжения (и тока), подаваемого на нагрузку, контролируется путем быстрого включения и выключения переключателя между питанием и нагрузкой. Чем дольше переключатель находится во включенном состоянии по сравнению с периодами выключенного состояния, тем выше общая мощность, подаваемая в нагрузку. Частота переключения ШИМ должна быть намного выше, чем то, что может повлиять на нагрузку (устройство, которое использует мощность), то есть результирующая форма сигнала, воспринимаемая нагрузкой, должна быть как можно более гладкой. Обычно переключение приходится производить несколько раз в минуту на электрической плите, 120 Гц в ламповом диммере, от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для моторного привода и даже до десятков или сотен кГц в аудиоусилителях и компьютерах. 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 сочетает в себе изменения ширины импульса и частоты повторения.

В методе контроля ограничения тока (CLC) рабочий цикл контролируется путем регулирования тока нагрузки между максимальным и минимальным значениями. Прерыватель периодически включается и выключается, чтобы ток нагрузки поддерживался между заданными максимальным и минимальным значениями.

Чопперные усилители

Одно из классических применений схемы прерывателя, где этот термин все еще используется, — это усилители прерывателя . Это усилители постоянного тока . Некоторые типы сигналов, требующих усиления, могут быть настолько малы, что требуется невероятно высокий коэффициент усиления , но усилители постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления гораздо сложнее построить с малым смещением и $1/f$ шум, а также достаточная стабильность и пропускная способность . 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 снова интегрировать его в сигнал постоянного тока на выходе. Таким образом, можно усилить чрезвычайно слабые сигналы постоянного тока. Этот подход часто используется в электронных приборах, где важны стабильность и точность; например, с помощью этих методов можно построить пиковольтметры и датчики Холла .

Входное напряжение смещения усилителей становится важным при попытке усилить небольшие 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 входное напряжение смещения не дрейфует со временем). и температура). Сопутствующими методами, которые также дают преимущества отсутствия дрейфа нуля, являются усилители с автоматической обнулением и стабилизацией прерыванием.

В усилителях с автообнулением используется вторичный вспомогательный усилитель для коррекции входного напряжения смещения основного усилителя. Усилители, стабилизированные прерывателем, используют комбинацию методов автоматического обнуления и прерывания, чтобы обеспечить превосходные характеристики точности постоянного тока.

Некоторые примеры усилителей прерывания и автоматического обнуления: LTC2050. МАКС4238/МАКС4239 и ОРА333.

Формулы

Шаг вперед, чоппер

Возьмите обычный повышающий прерыватель с источником напряжения. $V_{s}$ который включен последовательно с индуктором $L$, диод и нагрузка со средним напряжением $V_{ave}$. Прерыватель будет включен параллельно последовательному диоду и нагрузке. Всякий раз, когда переключатель прерывателя включен, выход замыкается. Используя закон Кирхгофа по напряжению для определения напряжения индуктора ,

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

и взяв средний ток за время выключения,

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

где $T_{ON}$это время, в течение которого напряжение нагрузки присутствует и $\Delta i$ ток изменения относительно $T_{ON}$. Всякий раз, когда прерыватель выключен и с использованием закона напряжения Кирхгофа при определении напряжения дросселя относительно среднего тока в течение времени включения,

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

где $T_{OFF}$это время, когда напряжение нагрузки равно нулю. Приравнивание среднего тока и коэффициент заполнения $\alpha ={\frac {T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}}$,

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

где $V_{ave}$среднее выходное напряжение.

Понижающий измельчитель

Взять обычный понижающий прерыватель с источником напряжения. $V_{s}$ который включен последовательно с прерывателем, индуктором и нагрузкой с напряжением $V_{o}$. Диод будет включен параллельно последовательному индуктору и нагрузке. Таким же образом, приравняв средний ток дросселя во время включения и выключения, мы можем получить среднее напряжение по формуле

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

где $V_{ave}$среднее выходное напряжение , $\alpha$это рабочий цикл и $V_{s}$— напряжение источника.

Повышающий/понижающий чоппер

Взяв обычный повышающе-понижающий прерыватель, который работает как повышающий и понижающий прерыватель, пусть источник напряжения $V_{s}$ быть последовательно с прерывателем, обратносмещенным диодом и нагрузкой с напряжением $V_{o}$. Индуктор будет включен параллельно последовательному диоду и нагрузке. Таким же образом, приравняв средний ток дросселя во время включения и выключения, мы можем получить среднее напряжение по формуле

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

где $V_{ave}$ среднее выходное напряжение , $\alpha$это рабочий цикл и $V_{s}$— напряжение источника.

См. также

• Тормозной прерыватель
• Вибратор (электронный)

Литература

• К. Энц, Г. Темес, Схемотехнические методы уменьшения влияния дефектов операционного усилителя: автоматическое обнуление, коррелированная двойная выборка и стабилизация прерывателя - Proceedings of the IEEE , vol. 84 № 11, ноябрь 1996 г.
• А. Билотти, Дж. Монреаль, Усилители, стабилизированные прерыванием, с демодулятором сигнала с отслеживанием и удержанием - Технический документ Allegro STP 99-1
• А. Баккер, К. Тиле, Дж. Хейсинг, Инструментальный усилитель с КМОП-прерывателем и смещением 100 нВ - IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35 № 12, декабрь 2000 г.