चॉपर (इलेक्ट्रॉनिक्स)

चॉपर के रूप में वाइब्रेटर का उपयोग करते हुए एक इन्वर्टर का योजनाबद्ध आरेख्।

इलेक्ट्रानिक्स में, चॉपर परिपथ बिजली नियंत्रण और सिग्नल अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले कई प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक स्विचिंग उपकरणों और विद्युत परिपथों में से एक है। चॉपर एक उपकरण है जो निश्चित डीसी इनपुट को सीधे एक परिवर्तनीय डीसी आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तित करता है। अनिवार्य रूप से, चॉपर एक इलेक्ट्रॉनिक स्विच है जिसका उपयोग दूसरे के नियंत्रण में एक सिग्नल को बाधित करने के लिए किया जाता है।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों में, चूंकि स्विचिंग तत्व या तो पूरी तरह से चालू या पूरी तरह से बंद है, इसलिए इसका नुकसान कम है और विद्युत परिपथ उच्च दक्षता प्रदान कर सकता है। हालाँकि, लोड को आपूर्ति की जाने वाली धारा असंतुलित है और अवांछनीय प्रभावों से बचने के लिए इसे सुचारू करने या उच्च स्विचिंग आवृत्ति की आवश्यकता हो सकती है। सिग्नल प्रोसेसिंग परिपथ में, चॉपर का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक घटकों के बहाव के खिलाफ सिस्टम को स्थिर करता है; मूल सिग्नल को तुल्यकालिक विमाडुलक द्वारा प्रवर्धन या अन्य प्रसंस्करण के बाद पुनर्प्राप्त किया जा सकता है जो अनिवार्य रूप से "चॉपिंग" प्रक्रिया को पूर्ववत करता है।

तुलना (स्टेप डाउन चॉपर और स्टेप अप चॉपर)

स्टेप अप और स्टेप डाउन चॉपर के बीच तुलना:

	स्टेप डाउन चॉपर	स्टेप अप चॉपर
आउटपुट वोल्टेज का क्षेत्र	0 से V वोल्ट	V से +∞ वोल्ट
चॉपर स्विच की स्थिति	लोड के साथ श्रृंखला में	लोड के समानांतर
आउटपुट वोल्टेज के लिए निष्पीडन	VL dc = D × V वोल्ट	Vo = V/(1 – D) वोल्ट
बाह्य प्रेरण	आवश्यक नहीं	आउटपुट वोल्टेज को बढ़ाने के लिए आवश्यक है
उपयोग	मोटरिंग ऑपरेशन के लिए, मोटर लोड के लिए	मोटर लोड के लिए पुनर्योजी ब्रेकिंग के लिए।
चॉपर का प्रकार	एकल चतुर्थांश	एकल चतुर्थांश
संचालन का चतुर्थांश	पहला चतुर्थांश	पहला चतुर्थांश
अनुप्रयोग	मोटर गति नियंत्रण	बैटरी चार्जिंग/वोल्टेज बूस्टर

अनुप्रयोग

चॉपर परिपथ का उपयोग कई अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें सम्मिलित हैं:

• डीसी से डीसी कनवर्टर सहित स्विच-मोड बिजली की आपूर्ति।
• डीसी मोटरों के लिए गति नियंत्रक
• एक्चुएटर्स में ब्रशरहित डीसी टॉर्क मोटर या स्टेपर मोटर चलाना
• क्लास डी इलेक्ट्रॉनिक प्रवर्धक
• स्विचित संधारित्र इलेक्ट्रॉनिक फ़िल्टर
• परिवर्तनीय-आवृत्ति ड्राइव
• डी.सी. वोल्टेज बढ़ाना
• बैटरी से चलने वाली वैद्युत कारें
• बैटरी चार्जर
• रेलवे कर्षण
• प्रकाशिकी और लैंप नियंत्रण

नियंत्रण रणनीतियाँ

एक निश्चित डीसी इनपुट वोल्टेज से संचालित होने वाले सभी चॉपर विन्यास के लिए, आउटपुट वोल्टेज का औसत मूल्य चॉपर परिपथ में उपयोग किए जाने वाले स्विच के आवधिक खुलने और बंद होने के द्वारा नियंत्रित किया जाता है। औसत आउटपुट वोल्टेज को विभिन्न तकनीकों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है:

• पल्स चौड़ाई मॉडुलन
• आवृति मॉडुलन
• परिवर्तनीय आवृत्ति, परिवर्तनीय पल्स चौड़ाई
• सीएलसी नियंत्रण

पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन में स्विच निरंतर चॉपिंग आवृत्ति पर चालू होते हैं। आउटपुट तरंगरूप के एक चक्र की कुल समय अवधि स्थिर होती है। औसत आउटपुट वोल्टेज चॉपर के चालू समय के सीधे आनुपातिक है। कुल समय के लिए चालू समय के अनुपात को उपयोगिता अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। यह 0 और 1 के बीच या 0 और 100% के बीच भिन्न हो सकता है। पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम), या पल्स-ड्यूरेशन मॉड्यूलेशन (पीडीएम), एक तकनीक है जिसका उपयोग किसी संदेश को पल्सिंग सिग्नल में एनकोड करने के लिए किया जाता है। यद्यपि इस मॉड्यूलेशन तकनीक का उपयोग ट्रांसमिशन के लिए जानकारी को एन्कोड करने के लिए किया जा सकता है, इसका मुख्य उपयोग विद्युत उपकरणों, विशेष रूप से मोटर जैसे जड़त्वीय भार को आपूर्ति की जाने वाली बिजली को नियंत्रित करने की अनुमति देना है। लोड को दिए गए वोल्टेज (और करंट) का औसत मूल्य आपूर्ति और लोड के बीच स्विच को तेज दर से चालू और बंद करके नियंत्रित किया जाता है। बंद अवधि की तुलना में स्विच जितना अधिक समय तक चालू रहेगा, लोड को आपूर्ति की गई कुल बिजली उतनी ही अधिक होगी। पीडब्लूएम स्विचिंग आवृत्ति लोड (वह उपकरण जो बिजली का उपयोग करता है) को प्रभावित करने वाली आवृत्ति से कहीं अधिक होनी चाहिए, जिसका अर्थ यह है कि लोड द्वारा महसूस की जाने वाली परिणामी तरंग यथासंभव चिकनी होनी चाहिए। प्रायः इलेक्ट्रिक स्टोव में एक मिनट में कई बार स्विचिंग करनी पड़ती है, लैंप डिमर में 120 हर्ट्ज़, मोटर ड्राइव के लिए कुछ किलोहर्ट्ज़ (kHz) से दसियों kHz तक और ऑडियो प्रवर्धकों और कंप्यूटर बिजली आपूर्ति में दसियों या सैकड़ों kHz तक स्विच करना पड़ता है।

फ़्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन में, एक निश्चित आयाम और अवधि का स्पन्दन उत्पन्न होता है और आउटपुट का औसत मूल्य यह बदलकर समायोजित किया जाता है कि कितनी बार स्पन्दन उत्पन्न होता है।

परिवर्तनीय पल्स चौड़ाई और आवृत्ति पल्स चौड़ाई और पुनरावृत्ति दर दोनों परिवर्तनों को जोड़ती है।

करंट सीमा नियंत्रण (सीएलसी) तकनीक में, उपयोगिता अनुपात को अधिकतम और न्यूनतम मूल्यों के बीच लोड करंट को नियंत्रित करके नियंत्रित किया जाता है। चॉपर को समय-समय पर चालू और बंद किया जाता है ताकि लोड करंट पूर्व निर्धारित अधिकतम और न्यूनतम मूल्यों के बीच बना रहे।

चॉपर प्रवर्धक

चॉपर परिपथ के लिए एक उत्कृष्ट उपयोग और जहां यह शब्द अभी भी उपयोग में है वह चॉपर प्रवर्धकों में है। ये प्रत्यक्ष धारा प्रवर्धक हैं। कुछ प्रकार के सिग्नल जिन्हें प्रवर्धित करने की आवश्यकता होती है, वे इतने छोटे हो सकते हैं कि अविश्वसनीय रूप से उच्च वृद्धि की आवश्यकता होती है, लेकिन बहुत अधिक वृद्धि वाले डीसी प्रवर्धकों को कम ऑफसेट और 1/$f$ ध्वनि, और उचित स्थिरता और बैंडविड्थ के साथ बनाना बहुत कठिन होता है। इसके बदले एक AC एम्पलीफायर बनाना बहुत आसान है। एक चॉपर परिपथ का उपयोग इनपुट सिग्नल को तोड़ने के लिए किया जाता है ताकि इसे संसाधित किया जा सके जैसे कि यह एक एसी सिग्नल था, फिर आउटपुट पर डीसी सिग्नल में एकीकृत किया गया। इस तरह, अत्यंत छोटे डीसी सिग्नलों को प्रवर्धित किया जा सकता है। इस दृष्टिकोण का उपयोग प्रायः इलेक्ट्रॉनिक उपकरणीकरण में किया जाता है जहां स्थिरता और सटीकता आवश्यक होती है; उदाहरण के लिए, इन तकनीकों का उपयोग करके पिको-वोल्टमीटर और हॉल सेंसर का निर्माण संभव है।

बहुत अधिक वृद्धि के साथ छोटे सिग्नल को बढ़ाने की कोशिश करते समय प्रवर्धकों का इनपुट ऑफसेट वोल्टेज महत्वपूर्ण हो जाता है। क्योंकि यह तकनीक बहुत कम इनपुट ऑफसेट वोल्टेज प्रवर्धक बनाती है, और क्योंकि यह इनपुट ऑफसेट वोल्टेज समय और तापमान के साथ ज्यादा नहीं बदलता है, इन तकनीकों को "शून्य-बहाव" प्रवर्धक भी कहा जाता है (क्योंकि समय और तापमान के साथ इनपुट ऑफसेट वोल्टेज में कोई बहाव नहीं होता है) संबंधित तकनीकें जो ये शून्य-बहाव वृद्धि भी देती हैं, वे ऑटो-शून्य और चॉपर-स्थिर प्रवर्धक हैं।

ऑटो-शून्य प्रवर्धक मुख्य प्रवर्धक के इनपुट ऑफसेट वोल्टेज को सही करने के लिए एक द्वितीयक सहायक प्रवर्धक का उपयोग करते हैं। चॉपर-स्थिर प्रवर्धक कुछ उत्कृष्ट डीसी परिशुद्धता विनिर्देश देने के लिए ऑटो-शून्य और चॉपर तकनीकों के संयोजन का उपयोग करते हैं।

कुछ उदाहरण चॉपर और ऑटो-शून्य प्रवर्धक के कुछ उदाहरण LTC2050, MAX4238/MAX4239 और OPA333 हैं।

सूत्र

वोल्टेज स्रोत $V_{s}$ के साथ वाला एक सामान्य स्टेप-अप चॉपर लें जो प्रेरक $L$, डायोड और औसत वोल्टेज $V_{ave}$ के साथ लोड के साथ श्रृंखला में है। चॉपर स्विच श्रृंखला डायोड और लोड के समानांतर होगा। जब भी चॉपर स्विच चालू होता है, तो आउटपुट छोटा हो जाता है। प्रेरक वोल्टेज का निर्धारण करने में किर्चोफ़ वोल्टेज नियम का उपयोग करना,

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

और टर्न-ऑफ समय के भीतर औसत धारा लेना,

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

जहां $T_{ON}$ वह समय है जब लोड वोल्टेज निहित था और $\Delta i$ $T_{ON}$ के संबंध में परिवर्तन धारा है। जब भी चॉपर स्विच बंद होता है और चालू होते समय के भीतर औसत करंट के संबंध में प्रेरक वोल्टेज निर्धारित करने में किरचॉफ वोल्टेज नियम का उपयोग किया जाता है,

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

जहां $T_{OFF}$वह समय है जब लोड वोल्टेज शून्य होता है। औसत धारा और उपयोगिता अनुपात $\alpha ={\frac {T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}}$दोनों को बराबर करना,

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

जहां $V_{ave}$औसत आउटपुट वोल्टेज है।

स्टेप-डाउन चॉपर

वोल्टेज स्रोत $V_{s}$ के साथ एक सामान्य स्टेप-डाउन चॉपर लेना जो चॉपर स्विच, प्रेरक और वोल्टेज $V_{o}$ के साथ लोड के साथ श्रृंखला में है। डायोड श्रृंखला प्रेरक और लोड के समानांतर होगा। उसी तरह चालू और बंद करते समय औसत प्रेरक धारा को बराबर करके, हम औसत वोल्टेज प्राप्त कर सकते हैं

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

जहां $V_{ave}$ औसत आउटपुट वोल्टेज है, $\alpha$ उपयोगिता अनुपात है और $V_{s}$ स्रोत वोल्टेज है।

स्टेप-अप / स्टेप-डाउन चॉपर

एक सामान्य बक-बूस्ट चॉपर लें जो स्टेपअप और डाउन चॉपर के रूप में काम करता है, वोल्टेज स्रोत $V_{s}$ को चॉपर स्विच, रिवर्स बायस्ड डायोड और लोड को वोल्टेज $V_{o}$ के साथ श्रृंखला में रखें। प्रेरक श्रृंखला डायोड और लोड के समानांतर होगा। उसी तरह चालू और बंद करते समय औसत प्रेरक धारा को बराबर करके, हम औसत वोल्टेज प्राप्त कर सकते हैं

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

जहां $V_{ave}$ औसत आउटपुट वोल्टेज है, $\alpha$ उपयोगिता अनुपात है और $V_{s}$ स्रोत वोल्टेज है।

यह भी देखें

• ब्रेकिंग चॉपर
• वाइब्रेटर (इलेक्ट्रॉनिक)

साहित्य

• सी. एन्ज़, जी. थीम्स, ऑप-एम्प अपूर्णताओं के प्रभाव को कम करने के लिए सर्किट तकनीक: ऑटोज़ीरोइंग, सहसंबद्ध डबल सैंपलिंग और चॉपर स्थिरीकरण - आईइइइ, वॉल्यूम की प्रोसीडिंग्स। 84 नंबर 11, नवंबर 1996
• ए. बिलोटी, जी. मोन्रियल, ट्रैक-एंड-होल्ड सिग्नल विमाडुलक के साथ चॉपर-स्टैबिलाइज्ड प्रवर्धक - एलेग्रो टेक्निकल पेपर एसटीपी 99-1
• बेकर, के. थीले, जे. हुइज़िंग, 100-एनवी ऑफसेट के साथ एक सीएमओएस नेस्टेड-चॉपर इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर - आईईईई जे. सॉलिड-स्टेट विद्युत परिपथ, वॉल्यूम। 35 नंबर 12, दिसंबर 2000