Измельчитель (электроника)

Электромеханическое устройство

Схема инвертора, использующего вибратор в качестве прерывателя.

В электронике прерыватель — это любой из многочисленных типов электронных коммутационных устройств и схем, используемых в управлении питанием и сигнальных приложениях. Прерыватель — это устройство, которое напрямую преобразует фиксированный вход постоянного тока в переменное выходное напряжение постоянного тока. По сути, прерыватель — это электронный переключатель , который используется для прерывания одного сигнала под управлением другого.

В силовой электронике , поскольку коммутационный элемент либо полностью включен, либо полностью выключен, его потери низки, и схема может обеспечить высокую эффективность. 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 синхронным демодулятором, который по сути отменяет процесс «прерывания».

Сравнение (понижающий и повышающий измельчитель)

Сравнение повышающего и понижающего измельчителя:

Приложения

Схемы прерывателей используются в различных приложениях, в том числе:

• Импульсные источники питания , включая преобразователи постоянного тока в постоянный .
• Регуляторы скорости для двигателей постоянного тока
• Управление бесщеточными моментными двигателями постоянного тока или шаговыми двигателями в приводах
• Электронные усилители класса D
• Фильтры с переключаемыми конденсаторами
• Частотно-регулируемые приводы
• Повышение постоянного напряжения
• Электромобили на аккумуляторных батареях
• 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 открытием и закрытием переключателей, используемых в цепи прерывателя. Среднее выходное напряжение может контролироваться различными методами, а именно:

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

При широтно-импульсной модуляции переключатели включаются с постоянной частотой прерывания. Общий период времени одного цикла выходной формы сигнала постоянен. Среднее выходное напряжение прямо пропорционально времени включения прерывателя. Отношение времени включения к общему времени определяется как рабочий цикл. Он может изменяться от 0 до 1 или от 0 до 100%. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или модуляция длительности импульса (ШИМ) — это метод, используемый для кодирования сообщения в импульсный сигнал. Хотя этот метод модуляции может использоваться для кодирования информации для передачи, его основное применение — обеспечение управления мощностью, подаваемой на электрические устройства, особенно на инерционные нагрузки, такие как двигатели. Среднее значение напряжения (и тока), подаваемого на нагрузку, контролируется путем включения и выключения переключателя между питанием и нагрузкой с высокой скоростью. Чем дольше переключатель включен по сравнению с периодами выключения, тем выше общая мощность, подаваемая на нагрузку. Частота переключения ШИМ должна быть намного выше, чем та, которая будет влиять на нагрузку (устройство, потребляющее энергию), то есть результирующая форма волны, воспринимаемая нагрузкой, должна быть максимально плавной. Обычно переключение должно происходить несколько раз в минуту в электроплитах, 120 Гц в диммерах ламп, от нескольких килогерц (кГц) до десятков кГц для электроприводов и до десятков или сотен кГц в аудиоусилителях и компьютерных блоках 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 как изменения ширины импульса, так и частоты повторения.

В методе управления ограничением тока (CLC) рабочий цикл контролируется путем управления током нагрузки между максимальными и минимальными значениями. Прерыватель периодически включается и выключается, так что ток нагрузки поддерживается между заданными максимальными и минимальными значениями. ^[1]

Усилители прерывателя

Одно из классических применений схемы прерывателя, где этот термин все еще используется, — усилители с прерывателем . Это усилители постоянного тока . Некоторые типы сигналов, которые необходимо усиливать, могут быть настолько малы, что требуется невероятно высокий коэффициент усиления , но усилители постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления гораздо сложнее построить с низким смещением и шумом, а также разумной стабильностью и полосой пропускания . Вместо этого гораздо проще построить усилитель переменного тока . Схема прерывателя используется для разбиения входного сигнала, чтобы его можно было обработать, как если бы это был сигнал переменного тока, а затем снова интегрировать в сигнал постоянного тока на выходе. Таким образом, можно усиливать чрезвычайно малые 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 . ${\displaystyle 1/f}$

Входное смещение напряжения усилителей становится важным при попытке усилить малые сигналы с очень высоким коэффициентом усиления. Поскольку эта технология создает очень низкое входное смещение напряжения усилителя, и поскольку это входное смещение напряжения не сильно меняется со временем и температурой, эти технологии также называются усилителями с «нулевым дрейфом» (потому что нет дрейфа входного смещения напряжения со временем и температурой). Сопутствующие технологии, которые также дают эти преимущества нулевого дрейфа, — это усилители с автоматической установкой нуля и стабилизацией прерывателем.

Усилители с автонулем используют вторичный вспомогательный усилитель для коррекции входного напряжения смещения основного усилителя. Усилители с прерывателем-стабилизатором используют комбинацию методов автонуля и прерывателя для получения некоторых превосходных характеристик точности постоянного тока. ^[2]

Примерами усилителей с прерывателем и автокоррекцией нуля являются LTC2050, ^[3] MAX4238/MAX4239 ^[4] и OPA333. ^[5]

Формулы

Шаг вперед Чоппер

Возьмите обычный повышающий прерыватель с источником напряжения , который последовательно соединен с индуктором , диодом и нагрузкой со средним напряжением . Переключатель прерывателя будет параллельно последовательному диоду и нагрузке. Всякий раз, когда переключатель прерывателя включен, выход закорочен. Используя закон напряжения Кирхгофа при определении напряжения индуктора , ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle V_{ave}}$

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

и взяв средний ток за время выключения,

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

где - время, когда присутствует напряжение нагрузки, и изменение тока относительно . Всякий раз, когда переключатель прерывателя выключен, и используя закон напряжения Кирхгофа при определении напряжения индуктора относительно среднего тока в течение времени включения, ${\displaystyle T_{ON}}$ ${\displaystyle \Delta i}$ ${\displaystyle T_{ON}}$

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

где - время, когда напряжение нагрузки равно нулю. Приравнивая средний ток и беря рабочий цикл , ^[6] ${\displaystyle T_{OFF}}$ ${\displaystyle \alpha ={\frac {T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}}}$

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

где - среднее выходное напряжение. ${\displaystyle V_{ave}}$

Понижающий измельчитель

Беря обычный понижающий прерыватель с источником напряжения , который последовательно соединен с переключателем прерывателя, индуктором и нагрузкой с напряжением . Диод будет параллельно последовательному индуктору и нагрузке. Таким же образом, приравнивая средний ток индуктора во время включения и выключения, мы можем получить среднее напряжение по формуле ^[6] ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle V_{o}}$

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

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

Повышающий/понижающий измельчитель

Беря обычный повышающе-понижающий прерыватель, который работает как повышающий и понижающий прерыватель, пусть источник напряжения будет последовательно с переключателем прерывателя, обратно смещенным диодом и нагрузкой с напряжением . Индуктор будет параллельно последовательному диоду и нагрузке. Таким же образом, приравнивая средний ток индуктора во время включения и выключения, мы можем получить среднее напряжение по формуле ^[6] ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle V_{o}}$

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

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

Смотрите также

• Тормозной прерыватель
• Вибратор (электронный)

Ссылки

1. "Управление напряжением прерывателя - управление соотношением времени и ограничением тока". Electronics Mind . 25 февраля 2022 г.
2. Патент США 7132883 - Инструментальные средства и операционные усилители с стабилизацией прерывателем
3. LTC2050
4. МАКС4238/МАКС4239
5. OPA333
6. Singh, MD (2008-07-07). Силовая электроника. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 9780070583894.

Литература

• C. Enz, G. Temes, Схемотехнические методы снижения влияния несовершенств операционных усилителей: автоматическая установка нуля, коррелированная двойная выборка и стабилизация прерывателем - Труды IEEE , т. 84 № 11, ноябрь 1996 г.
• А. Билотти, Г. Монреаль, Усилители со стабилизацией прерывателем и демодулятором сигнала с отслеживанием и удержанием - Технический документ Allegro STP 99-1
• A. Bakker, K. Thiele, J. Huijsing, Усилитель измерительной аппаратуры с вложенными прерывателями CMOS и смещением 100 нВ - IEEE J. Solid-State Circuits, т. 35 № 12, декабрь 2000 г.