Čoper (elektrotehnika)

Čoperi ili impulsni regulatori jednosmjernog napona su energetski pretvarači koji vrše pretvaranje jednosmernog napona u jednosmerni napon različite srednje vrednosti. Ovi pretvarači služe da smanje ili povećaju jednosmjerni napon na ulazu. Takođe predstavljaju elektronske uređaje koji pretvaraju jednosmjernu električnu energiju jednih parametara u jednosmjernu energiju drugih parametara. Mogu biti indirektni (kombinacija invertora i ispravljača) ili direktni. Čoperi se koriste za kontrolu brzine obrtanja jednosmernog motora, kao izvori napajanja ili pojačivači.

Postoje sljedeći tipovi impulsnih regulatora – čopera :

• Čoperi za sniženje napona (engl. Buck converters)
• Čoperi za povećanje napona (engl. Boost converters)
• Čoperi za sniženje/povećanje napona (engl. Buck-boost converters)

Prva dva tipa čine bazične konvertorske topologije, dok ostali tip čini njihovu kombinaciju. Kao komponente za izradu direktnih čopera se mogu koristiti GTO tiristori, obični tiristori i IGBT tranzistori. IGBT tranzistori se koriste za manje snage, a tiristori za veće snage.

Spuštač napona

Glavni članak: Spuštač napona

Šema spuštača napona

Spuštači napona (engl. Buck converter) kao što im i ime govori koriste se za dobijanje nižeg jednosmjernog izlaznog napona. Ukoliko je kapacitivnost C jako velika, izlazni napon Vd(t) je konstantan. Ako se pretpostavi da čoper radi u neprekidnom režimu rada, talasni oblici napona i struje kroz induktivitet će izgledati kao na slici desno.

Talasni oblik napona i struje kroz induktivitet kod spuštača napona

Dok je prekidač S zatvoren (vrijeme DT, 0 < D <1) iz izvora teče struja, prolazi kroz prekidač S, induktivitet L, kondenzator C i otpornik R, dok dioda D ne provodi struju. Struja kroz induktivitet L linearno raste. Induktivitet L se napaja magnetskom energijom. Kapacitet C se puni i napon se na njemu povećava.

Dok je prekidač S otvoren (vrijeme (1−D)T) iz izvora prestaje teći struja. Dioda D vodi struju jer je propusno polarizovana. Struja kroz induktivitet L linearno pada. Magnetska energija induktiviteta L se oslobađa. Kapacitet C se prazni i napon se na njemu smanjuje. Ako se primjeni pravilo da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli, slijedi:

$(V_{\mathrm {b} }-V_{\mathrm {d} })DT=V_{\mathrm {d} }(1-D)T\,$

Sređivanjem prethodnog izraza dobijamo da je:

$V_{\mathrm {d} }=DV_{\mathrm {b} }\,$

Strujna jednačina dobija se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage što je već objašnjeno u prethodnom primjeru pa je:

$I_{\mathrm {d} }={\frac {I_{\mathrm {b} }}{D}}$

Podizač napona

Glavni članak: Podizač napona

Šema podizača napona

Pored spuštača napona koji na svom izlazu uvijek „daje“ manji izlazni napon od ulaznog, postoji i tip čopera koji omogućava dobijanje izlaznog jednosmjernog napona, većeg od ulaznog jednosmjernog napona. Ovakav tip se naziva podizač napona (engl. Boost converter). Izlazni napon se može mijenjati od Vb do beskonačnosti. Talasni oblici napona i struje kroz induktivitet su prikazani na slici 4.

Talasni oblik napona i struje kroz induktivitet kod podizača napona

Dok je prekidač S zatvoren (vrijeme DT) iz izvora teče struja, prolazi kroz prekidač S i induktivitet L. Napon na induktivitetu jednak je Vb. Induktivitet L se napaja magnetskom energijom. Struja kroz induktivitet linearno raste, a dioda D ne provodi struju. Kondenzator C se prazni i tjera struju Id kroz otpornik R.

U trenutku kada je prekidač S otvoren (vrijeme (1−D)T) struja izvora koja je jednaka struji induktiviteta, počinje linearno padati. Uzrok tome je negativni napon na induktivitetu (Vd−Vb), a magnetska energija induktiviteta L se oslobađa. Upravo pad struje kroz induktivitet izaziva negativni napon samoindukcije Vl, a koji nastaje radi toga što se induktivitet suprodstavlja smanjenju struje. Taj napon samoindukcije se sabira sa naponom baterije (istog su predznaka), dioda D vodi struju jer je propusno polarizovana, kapacitet C se napaja na veći napon od napona izvora. Budući da je otpor R paralelno spojen kapacitetu C, napon na otporu R jednak je naponu na kapacitetu C.

$V_{\mathrm {b} }DT=(V_{\mathrm {d} }-V_{\mathrm {b} })(1-D)T\,$

Sređivanjem prethodne jednakosti dobijamo:

$V_{\mathrm {b} }=V_{\mathrm {d} }(1-D)\,$

A strujna jednačina se dobija izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

${\frac {I_{\mathrm {d} }}{I_{\mathrm {b} }}}=1-D$

Podizač-spuštač napona

Glavni članak: Podizač-spuštač napona

Šema podizača-spuštača napona

Kod podizač-spuštača napona (engl. Buck-boost converter) izlazni napon može biti veći ili manji u odnosu na ulazni, pri čemu je polaritet izlaznog napona (koji se može teoretski mijenjati od 0 do beskonačnosti) suprotan ulaznom. U suštini to je kaskadna sprega spuštača i podizača napona. Talasni oblici napona i struje kroz induktivitet prikazani su na slici desno.

Talasni oblik napona i struje kroz induktivitet kod podizača-spuštača napona

Rad pretvarača se može objasniti na sljedeći način - dok je prekidač S zatvoren (vrijeme DT) iz izvora teče struja, prolazi kroz kapacitet C i induktivitet L. Napon na induktivitetu jednak je (Vb). Induktivitet L se napaja magnetskom energijom. Struja kroz induktivitet linearno raste. Kondenzator C se prazni i tjera struju id kroz otpornik R. Dok je prekidač S otvoren (vrijeme (1−D)T) dioda D otvara, struja induktiviteta se zatvara kroz kapacitet, otpornik i diodu i počinje linearno opadati. Uzrok tome je negativni napon na induktivitetu. Magnetska energija induktiviteta L se oslobađa. Upravo pad struje kroz induktivitet izaziva negativni napon samoindukcije Vl, koji nastaje radi toga što se induktivitet suprotstavlja smanjenju struje.

$V_{\mathrm {b} }DT=V_{\mathrm {d} }(1-D)T\,$

Uređivanjem ove jednakosti dobija se:

${\frac {V_{\mathrm {d} }}{V_{\mathrm {b} }}}={\frac {D}{1-D}}$

Strujna jednačina dobija se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:

${\frac {I_{\mathrm {d} }}{I_{\mathrm {b} }}}={\frac {1-D}{D}}$

Ćukov pretvarač

Glavni članak: Ćukov pretvarač

Ćukov pretvarač se sastoji od dva induktiviteta, dva kondenzatora, prekidača (obično tranzistora) i diode. Ćukov pretvarač invertuje polaritet izlaznog napona.

Literatura

• Prof. dr. Đorđe Jovanović, Energetska elektronika
• Doc. dr. sc. Danko Kezić, Energetska elektronika
• Dokić, Branko L. (2007). Energetska elektronika - pretvarači i regulatori. Beograd/Banja Luka: Akademska misao/Elektrotehnički fakultet.