ชอปเปอร์ (อิเล็กทรอนิกส์)

ในทางอิเล็กทรอนิกส์ วงจร ชอปเปอร์คืออุปกรณ์และวงจรการสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภทที่ใช้ในการควบคุมพลังงานและการใช้งานสัญญาณ ชอปเปอร์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาเข้าคงที่ให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาออกที่เปลี่ยนแปลงได้โดยตรง โดยพื้นฐานแล้ว ชอปเปอร์คือสวิตช์ อิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้ในการขัดจังหวะสัญญาณหนึ่งภายใต้การควบคุมของอีกสัญญาณหนึ่ง

ใน งานด้าน อิเล็กทรอนิกส์กำลังเนื่องจากองค์ประกอบสวิตช์มีสถานะเป็นเปิดเต็มที่หรือปิดเต็มที่ การสูญเสียจึงต่ำ และวงจรจึงมีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม กระแสที่จ่ายให้กับโหลดนั้นไม่ต่อเนื่อง และอาจต้องมีการปรับให้เรียบ หรือใช้ความถี่สวิตช์สูงเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ ใน วงจร ประมวลผลสัญญาณการใช้ชอปเปอร์ช่วยรักษาเสถียรภาพของระบบจากการเปลี่ยนแปลงของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ สัญญาณดั้งเดิมสามารถกู้คืนได้หลังจากขยายหรือประมวลผลอื่นๆ โดยใช้ดีโมดูเลเตอร์แบบซิงโครนัส ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะยกเลิกกระบวนการ "สับเปลี่ยน"

การเปรียบเทียบ (เครื่องสับแบบลดระดับและเครื่องสับแบบเพิ่มระดับ)

การเปรียบเทียบระหว่างชอปเปอร์แบบสเต็ปอัพและสเต็ปดาวน์:

	เฮลิคอปเตอร์ลดระดับ	ก้าวขึ้นไปบนเฮลิคอปเตอร์
ช่วงแรงดันเอาต์พุต	0 ถึง V โวลต์	V ถึง +∞ โวลต์
ตำแหน่งของสวิตช์สับเปลี่ยน	ต่ออนุกรมกับโหลด	ขนานกับโหลด
สูตรสำหรับแรงดันเอาต์พุต	VL dc = D × V โวลต์	V = V/(1 – D) โวลต์
ตัวเหนี่ยวนำภายนอก	ไม่จำเป็น	จำเป็นสำหรับการเพิ่มแรงดันเอาต์พุต
ใช้	สำหรับการทำงานของมอเตอร์ สำหรับภาระของมอเตอร์	สำหรับการเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืนสำหรับโหลดมอเตอร์
ประเภทของเฮลิคอปเตอร์	ควอดแรนท์เดียว	ควอดแรนท์เดียว
ควอดแรนต์ของการดำเนินงาน	ควาดรันต์ที่ 1	ควาดรันต์ที่ 1
แอปพลิเคชัน	การควบคุมความเร็วของมอเตอร์	อุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่/เพิ่มแรงดันไฟฟ้า

แอปพลิเคชัน

วงจรชอปเปอร์ถูกนำไปใช้ในงานหลายประเภท รวมถึง:

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดรวมถึงตัวแปลง DC เป็น DC
ตัวควบคุมความเร็วสำหรับมอเตอร์กระแสตรง
ขับเคลื่อนมอเตอร์แรงบิด DC แบบไร้แปรงถ่าน หรือมอเตอร์สเต็ปเปอร์ในแอคทูเอเตอร์
เครื่องขยายเสียงอิเล็กทรอนิกส์คลาส D
ตัวกรอง ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์
ตัวขับความถี่แปรผัน
การเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง
รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่
เครื่องชาร์จแบตเตอรี่
แรงดึงของรถไฟ
การควบคุมแสงสว่างและหลอดไฟ

กลยุทธ์การควบคุม

สำหรับวงจรชอปเปอร์ทุกรูปแบบที่ทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาเข้าคงที่ ค่าเฉลี่ยของแรงดันไฟฟ้าขาออกจะถูกควบคุมโดยการเปิดและปิดสวิตช์ที่ใช้ในวงจรชอปเปอร์เป็นระยะๆ แรงดันไฟฟ้าขาออกเฉลี่ยสามารถควบคุมได้ด้วยเทคนิคต่างๆ ดังนี้:

การมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์
การมอดูเลชั่นความถี่
ความถี่แปรผัน ความกว้างพัลส์แปรผัน
การควบคุม CLC

ในการมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์ (PWM) สวิตช์จะถูกเปิดด้วยความถี่การตัดคงที่ ระยะเวลาทั้งหมดของหนึ่งรอบของรูปคลื่นเอาต์พุตจะคงที่ แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับเวลาที่ตัวตัดสัญญาณเปิด อัตราส่วนของเวลาเปิดต่อเวลาทั้งหมดเรียกว่ารอบการทำงาน (Duty Cycle) ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ระหว่าง 0 ถึง 1 หรือระหว่าง 0 ถึง 100% การมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์ (PWM) หรือการมอดูเลชั่นระยะเวลาพัลส์ (PDM) เป็นเทคนิคที่ใช้ในการเข้ารหัสข้อความลงในสัญญาณพัลส์ แม้ว่าเทคนิคการมอดูเลชั่นนี้จะสามารถใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลสำหรับการส่งได้ แต่การใช้งานหลักคือการควบคุมกำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งโหลดเฉื่อย เช่น มอเตอร์ ค่าเฉลี่ยของแรงดัน (และกระแส) ที่ป้อนให้กับโหลดจะถูกควบคุมโดยการเปิดและปิดสวิตช์ระหว่างแหล่งจ่ายและโหลดด้วยความเร็วสูง ยิ่งสวิตช์เปิดนานกว่าช่วงเวลาปิดเท่าใด กำลังไฟฟ้าทั้งหมดที่จ่ายให้กับโหลดก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ความถี่ในการสลับสัญญาณ PWM ต้องสูงกว่าความถี่ที่จะส่งผลกระทบต่อโหลด (อุปกรณ์ที่ใช้พลังงาน) มาก ซึ่งหมายความว่ารูปคลื่นที่โหลดรับรู้จะต้องราบเรียบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยทั่วไปแล้ว การสลับสัญญาณจะต้องเกิดขึ้นหลายครั้งต่อนาทีในเตาไฟฟ้า 120 เฮิรตซ์ในอุปกรณ์หรี่ไฟ ตั้งแต่ไม่กี่กิโลเฮิร์ตซ์ ( kHz ) ไปจนถึงหลายสิบกิโลเฮิร์ตซ์สำหรับมอเตอร์ขับ และสูงถึงหลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์ในเครื่องขยายเสียงและแหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์

ในการมอดูเลชั่นความถี่ จะมีการสร้างพัลส์ที่มีแอมพลิจูดและระยะเวลาคงที่ และค่าเฉลี่ยของเอาต์พุตจะถูกปรับโดยการเปลี่ยนความถี่ในการสร้างพัลส์

การปรับความกว้างและความถี่ของพัลส์เป็นการผสมผสานการเปลี่ยนแปลงทั้งความกว้างของพัลส์และอัตราการทำซ้ำ

ในเทคนิคการควบคุมขีดจำกัดกระแส (CLC) รอบการทำงานจะถูกควบคุมโดยการควบคุมกระแสโหลดระหว่างค่าสูงสุดและค่าต่ำสุด ชอปเปอร์จะถูกเปิดและปิดเป็นระยะเพื่อให้กระแสโหลดคงอยู่ระหว่างค่าสูงสุดและค่าต่ำสุดที่กำหนดไว้^{[ 1 ]}

แอมป์ชอปเปอร์

การใช้งานแบบคลาสสิกอย่างหนึ่งของวงจรชอปเปอร์ และคำนี้ยังคงใช้กันอยู่ คือในแอมพลิฟายเออร์ชอปเปอร์เหล่านี้คือ แอมพลิฟายเออร์ กระแสตรงสัญญาณบางประเภทที่ต้องการการขยายอาจมีขนาดเล็กมากจน ต้องใช้ เกน สูงมาก แต่การสร้างแอมพลิฟายเออร์กระแสตรงที่มีเกนสูงมากโดยมีค่าออฟเซ็ตต่ำนั้นทำได้ยากกว่ามาก $1/f$ เสียงรบกวน ความเสถียร และแบนด์วิดท์ ที่เหมาะสม การสร้างวงจร ขยายสัญญาณ กระแสสลับ นั้นง่ายกว่ามาก วงจรชอปเปอร์ใช้ในการแยกสัญญาณอินพุตเพื่อให้สามารถประมวลผลได้ราวกับว่าเป็นสัญญาณกระแสสลับ จากนั้นจึงรวมกลับเป็นสัญญาณกระแสตรงที่เอาต์พุต ด้วยวิธีนี้ สัญญาณกระแสตรงขนาดเล็กมากสามารถขยายได้ วิธีการนี้มักใช้ในเครื่องมือวัดทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ความเสถียรและความแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เทคนิคเหล่านี้ในการสร้างเครื่องวัดแรงดันไฟฟ้าขนาดพิโคเมตรและเซ็นเซอร์ฮอลล์ได้

แรงดันออฟเซ็ตอินพุตของแอมพลิฟายเออร์มีความสำคัญเมื่อพยายามขยายสัญญาณขนาดเล็กด้วยอัตราขยายสูงมาก เนื่องจากเทคนิคนี้สร้างแอมพลิฟายเออร์ที่มีแรงดันออฟเซ็ตอินพุตต่ำมาก และเนื่องจากแรงดันออฟเซ็ตอินพุตนี้ไม่เปลี่ยนแปลงมากนักเมื่อเวลาและอุณหภูมิเปลี่ยนไป เทคนิคเหล่านี้จึงเรียกว่าแอมพลิฟายเออร์ "ศูนย์ดริฟต์" (เพราะไม่มีการเปลี่ยนแปลงของแรงดันออฟเซ็ตอินพุตเมื่อเวลาและอุณหภูมิเปลี่ยนไป) เทคนิคที่เกี่ยวข้องซึ่งให้ข้อดีของศูนย์ดริฟต์เช่นกัน ได้แก่ แอมพลิฟายเออร์แบบปรับศูนย์อัตโนมัติและแอมพลิฟายเออร์แบบชอปเปอร์เสถียร

แอมพลิฟายเออร์แบบออโต้ซีโร่ใช้แอมพลิฟายเออร์เสริมตัวที่สองเพื่อแก้ไขแรงดันออฟเซ็ตอินพุตของแอมพลิฟายเออร์หลัก แอมพลิฟายเออร์แบบชอปเปอร์เสถียรใช้การผสมผสานระหว่างเทคนิคออโต้ซีโร่และชอปเปอร์เพื่อให้ได้คุณสมบัติความแม่นยำ DC ที่ยอดเยี่ยม^{[ 2 ]}

ตัวอย่างแอมพลิฟายเออร์ชอปเปอร์และออโต้ซีโร่บางตัวได้แก่ LTC2050 ^{[ 3 ]} MAX4238/MAX4239 ^{[ 4 ]}และ OPA333 ^{[ 5 ]}

สูตร

ชอปเปอร์แบบก้าวขึ้น

ใช้วงจรชอปเปอร์แบบเพิ่มแรงดันทั่วไปที่มีแหล่งจ่ายแรงดัน $V_{s}$ ซึ่งต่ออนุกรมกับตัวเหนี่ยวนำ $L$ ไดโอดและโหลดที่มีแรงดันเฉลี่ย $V_{ave}$ สวิตช์ชอปเปอร์จะต่อขนานกับไดโอดและโหลดแบบอนุกรม เมื่อใดก็ตามที่สวิตช์ชอปเปอร์เปิดอยู่ เอาต์พุตจะลัดวงจร โดยใช้กฎแรงดันของเคิร์ชฮอฟฟ์ (KVL) ในการหาแรงดันของตัวเหนี่ยวนำ

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

และคำนวณกระแสไฟฟ้าเฉลี่ยภายในช่วงเวลาที่ปิดเครื่อง

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

ที่ไหน $T_{ON}$ คือช่วงเวลาที่มีแรงดันโหลดอยู่ และ $\Delta i$ การเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าเมื่อเทียบกับ $T_{ON}$ เมื่อใดก็ตามที่สวิตช์ชอปเปอร์ปิดอยู่ และใช้กฎ KVL ในการหาค่าแรงดันเหนี่ยวนำเทียบกับกระแสเฉลี่ยภายในช่วงเวลาเปิดเครื่อง

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

ที่ไหน $T_{OFF}$ คือช่วงเวลาที่แรงดันโหลดเป็นศูนย์ โดยเทียบทั้งกระแสเฉลี่ยและคำนวณรอบการทำงาน $\alpha ={\frac {T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}}$ [ ⁶^]

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

ที่ไหน $V_{ave}$ คือแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ย

เฮลิคอปเตอร์แบบลดระดับ

การใช้ชอปเปอร์แบบลดแรงดันทั่วไปกับแหล่งจ่ายแรงดัน $V_{s}$ ซึ่งต่ออนุกรมกับสวิตช์ชอปเปอร์ ตัวเหนี่ยวนำ และโหลดที่มีแรงดันไฟฟ้า $V_{o}$ ไดโอดจะขนานกับตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรมและโหลด ในทำนองเดียวกัน โดยการเทียบกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยในช่วงเวลาเปิดและปิด เราสามารถหาแรงดันเฉลี่ยได้โดย^{[ 6 ]}

$V_{ave}=\อัลฟา V_{s}$

ที่ไหน $V_{ave}$ คือ แรงดันเอาต์พุตเฉลี่ย $\alpha$ คือรอบการทำงานและ $V_{s}$ คือแรงดันแหล่งจ่าย

ชอปเปอร์แบบเพิ่ม/ลดระดับ

โดยใช้วงจรชอปเปอร์แบบบัค-บูสต์ทั่วไป ซึ่งทำงานทั้งแบบเพิ่มและลดแรงดันไฟฟ้า ให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า $V_{s}$ ต่ออนุกรมกับสวิตช์ชอปเปอร์ ไดโอดไบแอสกลับ และโหลดที่มีแรงดันไฟฟ้า $V_{o}$ ตัวเหนี่ยวนำจะขนานกับไดโอดอนุกรมและโหลด ในทำนองเดียวกัน โดยการเทียบกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยในช่วงเวลาเปิดและปิด เราสามารถหาแรงดันเฉลี่ยได้โดย^{[ 6 ]}

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