Chopper (eletrônicos) - Chopper (electronics)

Esquema de um inversor usando um vibrador como um chopper.

Na eletrônica , um circuito chopper é qualquer um dos vários tipos de dispositivos de comutação eletrônicos e circuitos usados no controle de energia e em aplicações de sinal. Um chopper é um dispositivo que converte a entrada CC fixa em uma tensão de saída CC variável diretamente. Essencialmente, um chopper é uma chave eletrônica usada para interromper um sinal sob o controle de outro.

Em aplicações de eletrônica de potência , como o elemento de comutação está totalmente ligado ou totalmente desligado, suas perdas são baixas e o circuito pode fornecer alta eficiência. No entanto, a corrente fornecida à carga é descontínua e pode exigir suavização ou uma alta frequência de chaveamento para evitar efeitos indesejáveis. Em circuitos de processamento de sinal, o uso de um chopper estabiliza um sistema contra o desvio de componentes eletrônicos; o sinal original pode ser recuperado após a amplificação ou outro processamento por um desmodulador síncrono que essencialmente desfaz o processo de "corte".

Comparação (reduzir o chopper e aumentar o chopper)

Comparação entre o acelerador de aumento e redução:

	Abaixe o helicóptero	Acelerador de alta velocidade
Faixa de tensão de saída	0 a V volts	V a + ∞ volts
Posição do interruptor do chopper	Em série com carga	Em paralelo com a carga
Expressão para tensão de saída	VL dc = D × V volts	V _o = V / (1 - D) volts
Indutância externa	Não requerido	Necessário para aumentar a tensão de saída
Usar	Para operação motorizada, para carga do motor	Para frenagem regenerativa para carga do motor.
Tipo de helicóptero	Quadrante único	Quadrante único
Quadrante de operação	1º quadrante	1º quadrante
Formulários	Controle de velocidade do motor	Carregamento de bateria / amplificadores de tensão

Formulários

Os circuitos chopper são usados em várias aplicações, incluindo:

Fontes de alimentação comutadas , incluindo conversores DC para DC .
Controladores de velocidade para motores DC
Condução de motores de torque DC sem escova ou motores de passo em atuadores
Amplificadores eletrônicos classe D
Filtros de capacitor comutados
Inversores de frequência variável
Aumento de tensão DC
Carros elétricos movidos a bateria
Carregadores de bateria
Tração ferroviária
Controles de iluminação e lâmpada

Estratégias de controle

Para todas as configurações do chopper operando a partir de uma tensão de entrada CC fixa, o valor médio da tensão de saída é controlado pela abertura e fechamento periódico das chaves usadas no circuito do chopper. A tensão média de saída pode ser controlada por diferentes técnicas, a saber:

Modulação de largura de pulso
Modulação de frequência
Frequência variável, largura de pulso variável
Controle CLC

Na modulação por largura de pulso, os interruptores são ligados a uma frequência de corte constante. O período de tempo total de um ciclo da forma de onda de saída é constante. A tensão de saída média é diretamente proporcional ao tempo de ativação do chopper. A relação entre o tempo LIGADO e o tempo total é definida como ciclo de trabalho. Pode variar entre 0 e 1 ou entre 0 e 100%. A modulação por largura de pulso (PWM), ou modulação por duração de pulso (PDM), é uma técnica usada para codificar uma mensagem em um sinal pulsante. Embora essa técnica de modulação possa ser utilizada para codificar informações para transmissão, seu principal uso é permitir o controle da potência fornecida a dispositivos elétricos, especialmente a cargas inerciais como motores. O valor médio de tensão (e corrente) alimentado à carga é controlado ligando e desligando rapidamente a chave entre alimentação e carga. Quanto mais tempo a chave ficar ligada em comparação com os períodos desligados, maior será a potência total fornecida à carga. A frequência de chaveamento PWM deve ser muito maior do que o que afetaria a carga (o dispositivo que usa a energia), o que significa que a forma de onda resultante percebida pela carga deve ser o mais suave possível. Normalmente, a comutação deve ser feita várias vezes por minuto em um fogão elétrico, 120 Hz em um redutor de lâmpada, de alguns quilohertz (kHz) a dezenas de kHz para um acionamento motorizado e até dezenas ou centenas de kHz em amplificadores de áudio e computador suprimentos de energia.

Na modulação de frequência, pulsos de amplitude e duração fixas são gerados e o valor médio de saída é ajustado mudando a frequência com que os pulsos são gerados.

A largura e a frequência de pulso variáveis combinam as mudanças na largura de pulso e na taxa de repetição.

Amplificadores chopper

Um uso clássico para um circuito chopper e onde o termo ainda é usado é em amplificadores chopper . Estes são amplificadores DC . Alguns tipos de sinais que precisam ser amplificados podem ser tão pequenos que um ganho incrivelmente alto é necessário, mas os amplificadores CC de ganho muito alto são muito mais difíceis de construir com baixo deslocamento e ruído 1 / e estabilidade e largura de banda razoáveis . É muito mais fácil construir um amplificador AC . Um circuito chopper é usado para interromper o sinal de entrada para que possa ser processado como se fosse um sinal CA e, em seguida, integrado de volta a um sinal CC na saída. Desta forma, sinais DC extremamente pequenos podem ser amplificados. Esta abordagem é freqüentemente usada em instrumentação eletrônica onde estabilidade e precisão são essenciais; por exemplo, é possível usar essas técnicas para construir pico-voltímetros e sensores Hall . ${\ displaystyle f}$

A tensão de deslocamento de entrada dos amplificadores torna-se importante ao tentar amplificar pequenos sinais com ganho muito alto. Como essa técnica cria um amplificador de tensão de deslocamento de entrada muito baixa e porque essa tensão de deslocamento de entrada não muda muito com o tempo e a temperatura, essas técnicas também são chamadas de amplificadores de "variação zero" (porque não há variação na tensão de deslocamento de entrada com o tempo e temperatura). As técnicas relacionadas que também oferecem essas vantagens de desvio de zero são os amplificadores de auto-zero e estabilizados por chopper.

Os amplificadores de zero automático usam um amplificador auxiliar secundário para corrigir a tensão de deslocamento de entrada de um amplificador principal. Os amplificadores estabilizados por chopper usam uma combinação de técnicas de auto-zero e chopper para fornecer algumas especificações de precisão DC excelentes.

Alguns exemplos de amplificadores chopper e auto-zero são LTC2050, MAX4238 / MAX4239 e OPA333.

Fórmulas

Helicóptero step-up

Vamos dar um chopper de aumento geral com fonte de tensão que está em série com o indutor , diodo e a carga com tensão média . O interruptor do chopper estaria em paralelo com o diodo e a carga em série. Sempre que o interruptor do chopper está ligado, a saída está em curto. Usando a Lei de Tensão de Kirchhoff na determinação da tensão do indutor , ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle V_ {ave}}$

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

E tomando a corrente média dentro do tempo de desligamento,

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

Onde é o tempo em que uma tensão de carga está presente e a mudança de corrente em relação a . Sempre que o interruptor do chopper estiver desligado e usando a Lei de Tensão de Kirchhoff para determinar a tensão do indutor em relação à corrente média dentro do tempo de ativação, ${\ displaystyle T_ {ON}}$ ${\ displaystyle \ Delta i}$ ${\ displaystyle T_ {ON}}$

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

Onde é o tempo em que a tensão de carga é zero. Equacionando a corrente média e o ciclo de trabalho , ${\ displaystyle T_ {OFF}}$ ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {T_ {ON}} {T_ {ON} + T_ {OFF}}}}$

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

onde é a tensão média de saída. ${\ displaystyle V_ {ave}}$

Helicóptero abaixador

Fazendo um chopper abaixador geral com fonte de tensão que está em série com o interruptor do chopper, indutor e a carga com tensão . O diodo estaria em paralelo com o indutor em série e a carga. Da mesma forma, ao equacionar a corrente média do indutor durante o tempo de ativação e desativação, podemos obter a tensão média por ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {o}}$

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

onde é a tensão de saída média , é o ciclo de trabalho e é a tensão da fonte. ${\ displaystyle V_ {ave}}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$

Helicóptero elevador / abaixador

Usando um chopper buck-boost geral que funciona como acelerador e redutor, deixe a fonte de tensão estar em série com o interruptor do chopper, diodo de polarização reversa e a carga com tensão . O indutor estaria em paralelo com o diodo e a carga em série. Da mesma forma, ao equacionar a corrente média do indutor durante o tempo de ativação e desativação, podemos obter a tensão média por ${\ displaystyle V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {o}}$

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

onde é a tensão de saída média , é o ciclo de trabalho e é a tensão da fonte. ${\ displaystyle V_ {ave}}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$

Veja também

Referências

^ Patente dos EUA 7132883 - Instrumentação estabilizada de chopper e amplificadores operacionais
^ LTC2050
^ MAX4238 / MAX4239
^ OPA333
^ ^a ^b ^c Singh, MD (2008-07-07). Eletrônica de potência . Educação Tata McGraw-Hill. ISBN 9780070583894.

Literatura

C. Enz, G. Temes, Técnicas de circuito para reduzir o efeito de imperfeições do Op-Amp: Autozeroing, Correlated Double Sampling and Chopper Stabilization - Proceedings of the IEEE , vol. 84 No. 11, novembro de 1996
A. Bilotti, G. Monreal, Chopper-Stabilized Amplifiers with a 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 No. 12, dez. 2000

[1] Patente dos EUA 7132883 - Instrumentação estabilizada de chopper e amplificadores operacionais

[2] LTC2050

[3] MAX4238 / MAX4239

[4] OPA333

[:1-5] Singh, MD (2008-07-07). Eletrônica de potência . Educação Tata McGraw-Hill. ISBN 9780070583894.

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