Elettronica di potenza - Chopper
Un chopper utilizza l'alta velocità per connettersi e disconnettersi da un carico sorgente. Una tensione continua fissa viene applicata in modo intermittente al carico della sorgente attivando continuamente l'interruttore di alimentazione ON / OFF. Il periodo di tempo per il quale l'interruttore di alimentazione rimane acceso o spento viene indicato rispettivamente come tempi di stato ON e OFF del chopper.
I chopper vengono applicati principalmente nelle auto elettriche, nella conversione di energia eolica e solare e nei regolatori di motori CC.
Simbolo di un elicottero
Classificazione dei chopper
A seconda della tensione di uscita, i chopper sono classificati come:
- Step Up chopper (convertitore boost)
- Step Down Chopper (convertitore Buck)
- Step Up / Down Chopper (convertitore buck-boost)
Step Up Chopper
La tensione di uscita media (V o ) in un chopper elevatore è maggiore dell'ingresso di tensione (V s ). La figura seguente mostra una configurazione di un tritatutto elevatore.
Forme d'onda di corrente e tensione
V 0 (uscita in tensione media) è positivo quando il chopper è acceso e negativo quando il chopper è spento, come mostrato nella forma d'onda sotto.
Dove
T ON - intervallo di tempo in cui il chopper è acceso
T OFF - intervallo di tempo in cui il tritatutto è spento
V L - Tensione di carico
V s - Tensione sorgente
T - Periodo di tempo di taglio = T ON + T OFF
V o è dato da -
$$ V_ {0} = \ frac {1} {T} \ int_ {0} ^ {T_ {ON}} V_ {S} dt $$Quando il chopper (CH) è acceso, il carico è in corto circuito e, quindi, l'uscita di tensione per il periodo TONè zero. Inoltre, l'induttore viene caricato durante questo periodo. Questo dà V S = V L
$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S}, $ $ \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = \ frac {V_ {S}} {L} $
Quindi, $ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} $
Δi = è la corrente da picco a picco dell'induttore. Quando il chopper (CH) è spento, la scarica avviene attraverso l'induttore L. Pertanto, la somma di V s e V L è data come segue:
$ V_ {0} = V_ {S} + V_ {L}, \ quad V_ {L} = V_ {0} -V_ {S} $
Ma $ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} -V_ {S} $
Quindi, $ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} -V_ {S} $
Questo dà, $ \ Delta i = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $
L'equalizzazione di Δi dallo stato ON a Δi dallo stato OFF dà -
$ \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $, $ V_ {S} \ sinistra (T_ {ON } + T_ {OFF} \ right) = V_ {0} T_ {OFF} $
$ V_ {0} = \ frac {TV_ {S}} {T_ {OFF}} = \ frac {V_ {S}} {\ frac {\ left (T + T_ {ON} \ right)} {T}} $
Questo dà l'uscita di tensione media come,
$$ V_ {0} = \ frac {V_ {S}} {1-D} $$L'equazione sopra mostra che V o può essere variata da V S all'infinito. Dimostra che la tensione di uscita sarà sempre maggiore della tensione di ingresso e quindi aumenta o aumenta il livello di tensione.
Step Down Chopper
Questo è anche noto come convertitore buck. In questo chopper, la produzione media tensione V O è minore della tensione di ingresso V S . Quando il chopper è acceso, V O = V S e quando il chopper è spento, V O = 0
Quando il tritatutto è acceso -
$ V_ {S} = \ sinistra (V_ {L} + V_ {0} \ destra), \ quad V_ {L} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {di} {dt} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = V_ {s} + V_ {0} $
Pertanto, il carico di corrente da picco a picco è dato da,
$ \ Delta i = \ frac {V_ {s} -V_ {0}} {L} T_ {ON} $
Schema elettrico
Dove FD è un diodo a ruota libera.
Quando il chopper è spento, l'inversione di polarità e la scarica si verificano sull'induttore. La corrente passa attraverso il diodo a ruota libera e l'induttore al carico. Questo da,
$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} .................................. ...... \ sinistra (i \ destra) $$Riscritto come - $ \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} $
$$ \ Delta i = V_ {0} \ frac {T_ {OFF}} {L} ............................. ...... \ sinistra (ii \ destra) $$L'equazione delle equazioni (i) e (ii) dà;
$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $
$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {OFF}} {T_ {ON}} $
$ \ frac {V_ {S}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {ON} -T_ {OFF}} {T_ {ON}} $
L'equazione di cui sopra dà;
$$ V_ {0} = \ frac {T_ {ON}} {T} V_ {S} = DV_ {S} $$L'equazione (i) dà -
$ \ Delta i = \ frac {V_ {S} -DV_ {S}} {L} DT $, da $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $
$ = \ frac {V_ {S} - \ left (1-D \ right) D} {Lf} $
$ f = \ frac {1} {T} = $ frequenza di taglio
Forme d'onda di corrente e tensione
Le forme d'onda di corrente e tensione sono riportate di seguito:
Per un chopper step down l'uscita di tensione è sempre inferiore all'ingresso di tensione. Ciò è mostrato dalla forma d'onda di seguito.
Chopper Step Up / Step Down
Questo è anche noto come convertitore buck-boost. Consente di aumentare o ridurre il livello di ingresso della tensione. Il diagramma seguente mostra un chopper buck-boost.
Quando il chopper è acceso, l'induttore L viene caricato dalla tensione della sorgente V s . Pertanto, V s = V L .
$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S} $$ $$ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {S}} {L } T \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {DV_ {S}} {Lf} $$Perché ...
$ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $ e $ f = \ frac {1} {T} ....................... ....................... \ sinistra (iii \ destra) $
Quando il chopper viene spento, la polarità dell'induttore si inverte e questo fa sì che si scarichi attraverso il diodo e il carico.
Quindi,
$$ V_ {0} = - V_ {L} $$ $$ L \ frac {di} {dt} = - V_ {0} $$$ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = - V_ {0} $, quindi $ \ Delta i = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} ..... ........................... \ sinistra (iv \ destra) $
Valutando l'equazione (iii) e (iv) si ottiene -
$ \ frac {DV_ {S}} {Lf} = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $, $ DV_ {S} = - DV_ {S} = - V_ {0} T_ { OFF} f $
$ DV_ {S} = - V_ {0} \ frac {T-T_ {ON}} {T} = - V_ {0} \ left (1- \ frac {T_ {ON}} {T} \ right) $ , $ V_ {0} = - \ frac {DV_ {S}} {1-D} $
Perché $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {T-T_ {OFF}} {1-D} $
Questo da,
$ V_ {0} = \ frac {DV_ {S}} {1-D} $
D può essere variato da 0 a 1. Quando, D = 0; V O = 0
Quando D = 0,5, V O = V S
Quando, D = 1, V O = ∞.
Quindi, nell'intervallo 0 ≤ D ≤ 0,5, la tensione di uscita varia nell'intervallo 0 ≤ V O <V S e otteniamo l'operazione step down o Buck. Considerando che, nell'intervallo 0,5 ≤ D ≤ 1, la tensione di uscita varia nell'intervallo V S ≤ V O ≤ we e otteniamo l'operazione di incremento o Boost.