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.