チョッパー（電子機器）

電子工学において、チョッパ回路とは、電力制御や信号アプリケーションで使用されるさまざまなタイプの電子スイッチング デバイスおよび回路のことです。チョッパは、固定 DC 入力を可変 DC 出力電圧に直接変換するデバイスです。基本的に、チョッパは、ある信号を別の信号の制御下で中断するために使用される 電子スイッチです。

パワー エレクトロニクスアプリケーションでは、スイッチング要素が完全にオンまたは完全にオフになるため、損失は少なく、回路は高い効率を提供できます。ただし、負荷に供給される電流は不連続であり、望ましくない影響を回避するために平滑化または高いスイッチング周波数が必要になる場合があります。信号処理回路では、チョッパーの使用により、電子部品のドリフトに対してシステムが安定します。同期復調器による増幅またはその他の処理の後、基本的に「チョッピング」プロセスを元に戻すことで、元の信号を回復できます。

ステップアップチョッパとステップダウンチョッパの比較:

チョッパ回路は、次のようなさまざまな用途で使用されます。

• DC-DC コンバータを含むスイッチングモード電源。
• DCモーター用スピードコントローラー
• アクチュエータ内のブラシレスDCトルクモータまたはステッピングモータの駆動
• クラスD電子アンプ
• スイッチドキャパシタ フィルタ
• 可変周波数ドライブ
• DC電圧ブースト
• バッテリー駆動の電気自動車
• バッテリー充電器
• 鉄道牽引
• 照明とランプの制御

固定の DC 入力電圧で動作するすべてのチョッパ構成では、出力電圧の平均値は、チョッパ回路で使用されるスイッチの周期的な開閉によって制御されます。平均出力電圧は、次のようなさまざまな手法で制御できます。

• パルス幅変調
• 周波数変調
• 可変周波数、可変パルス幅
• CLC制御

パルス幅変調では、スイッチは一定のチョッピング周波数でオンになります。出力波形の 1 サイクルの合計期間は一定です。平均出力電圧は、チョッパーのオン時間に正比例します。オン時間と合計時間の比率は、デューティ サイクルとして定義されます。デューティ サイクルは、0 ～ 1 または 0 ～ 100% の間で変更できます。パルス幅変調 (PWM) またはパルス持続時間変調 (PDM) は、メッセージをパルス信号にエンコードするために使用される手法です。この変調手法は、送信用の情報をエンコードするために使用できますが、主な用途は、電気デバイス、特にモーターなどの慣性負荷に供給される電力を制御することです。負荷に供給される電圧 (および電流) の平均値は、電源と負荷の間のスイッチを高速でオン/オフすることによって制御されます。スイッチのオン期間がオフ期間よりも長いほど、負荷に供給される合計電力は高くなります。 PWM スイッチング周波数は、負荷 (電力を使用するデバイス) に影響を及ぼす周波数よりもはるかに高くする必要があります。つまり、負荷によって認識される結果の波形は、可能な限り滑らかでなければなりません。通常、電気ストーブでは 1 分間に数回、ランプ調光器では 120 Hz、モーター ドライブでは数キロヘルツ (kHz) から数十 kHz、オーディオ アンプやコンピューターの電源では数十または数百 kHz のスイッチングを実行する必要があります。

周波数変調では、一定の振幅と持続時間のパルスが生成され、パルスの生成頻度を変更することで出力の平均値が調整されます。

可変パルス幅と周波数は、パルス幅と繰り返し率の両方の変化を組み合わせます。

電流制限制御（CLC）技術では、負荷電流を最大値と最小値の間で制御することによってデューティサイクルが制御されます。チョッパは、負荷電流が所定の最大値と最小値の間に維持されるように、定期的にオンとオフを切り替えます。^[1]

チョッパ回路の典型的な用途の 1 つで、この用語が今でも使用されているのは、チョッパ アンプです。これらはDCアンプです。増幅が必要な信号の種類によっては、非常に小さいため非常に高いゲインが必要になる場合がありますが、非常に高いゲインの DC アンプを、低いオフセットとノイズ、妥当な安定性と帯域幅で構築するのは非常に困難です。代わりにACアンプを構築する方がはるかに簡単です。チョッパ回路は、入力信号を分割して AC 信号であるかのように処理し、出力で DC 信号に戻せるようにするために使用されます。このようにして、極めて小さい DC 信号を増幅できます。この方法は、安定性と精度が不可欠な電子計測機器でよく使用されます。たとえば、これらの手法を使用してピコ電圧計やホール センサーを構築できます。 ${\displaystyle 1/f}$

アンプの入力オフセット電圧は、非常に高いゲインで小さな信号を増幅しようとするときに重要になります。この技術により、入力オフセット電圧が非常に低いアンプが作成され、この入力オフセット電圧は時間や温度によってあまり変化しないため、これらの技術は「ゼロドリフト」アンプとも呼ばれます (時間や温度による入力オフセット電圧のドリフトがないため)。これらのゼロドリフトの利点も提供する関連技術には、オートゼロ アンプとチョッパ安定化アンプがあります。

オートゼロアンプは、メインアンプの入力オフセット電圧を補正するために二次補助アンプを使用します。チョッパ安定化アンプは、オートゼロとチョッパ技術を組み合わせて、優れたDC精度仕様を実現します。^[2]

チョッパアンプとオートゼロアンプの例としては、LTC2050、^[3]、MAX4238/MAX4239 ^{[4] 、OPA333 [5]}などがあります。

一般的な昇圧チョッパを例にとると、電圧源はインダクタ、ダイオード、平均電圧の負荷と直列に接続されています。チョッパスイッチは直列ダイオードと負荷と並列に接続されます。チョッパスイッチがオンのときは常に出力が短絡されます。キルヒホッフ電圧法則を使用してインダクタ電圧を決定すると、 ${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle L}$${\displaystyle V_{ave}}$

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

ターンオフ時間内の平均電流を取ると、

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

ここで、負荷電圧が存在する時間であり、電流の変化は に関するものである。チョッパスイッチがオフで、ターンオン時間内の平均電流に対するインダクタ電圧を決定する際に キルヒホッフ電圧法則を使用する場合、${\displaystyle T_{ON}}$${\displaystyle \Delta i}$${\displaystyle T_{ON}}$

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

ここで、負荷電圧がゼロである時間である。平均電流とデューティサイクルを等しくすると、^[6]${\displaystyle T_{OFF}}$${\displaystyle \alpha ={\frac {T_{ON}}{T_{ON}+T_{OFF}}}}$

ここで平均出力電圧です。 ${\displaystyle V_{ave}}$

一般的な降圧チョッパを例にとると、電圧源はチョッパスイッチ、インダクタ、および電圧の負荷と直列に接続されています。ダイオードは直列インダクタと負荷と並列に接続されます。同様に、ターンオン時とターンオフ時のインダクタの平均電流を等しくすることで、平均電圧を次のように求めることができます。^[6]${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle V_{o}}$

ここで、は平均出力電圧、はデューティサイクル、は電源電圧です。 ${\displaystyle V_{ave}}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle V_{s}}$

昇圧チョッパと降圧チョッパの両方として機能する一般的な昇降圧チョッパを考えてみましょう。電圧源はチョッパスイッチ、逆バイアスダイオード、および電圧の負荷と直列に接続します。インダクタは直列ダイオードと負荷と並列に接続します。同様に、ターンオン時とターンオフ時のインダクタの平均電流を等しくすることで、平均電圧を次のように求めることができます。^[6]${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle V_{o}}$

ここで、は平均出力電圧、はデューティサイクル、は電源電圧です。 ${\displaystyle V_{ave}}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle V_{s}}$

• ブレーキチョッパー
• バイブレーター（電子式）

• C. Enz、G. Temes、「オペアンプの不完全性の影響を軽減する回路技術：オートゼロ、相関二重サンプリング、チョッパ安定化」 - Proceedings of the IEEE、vol. 84 No. 11、1996 年 11 月
• A. Bilotti、G. Monreal、トラックアンドホールド信号復調器を備えたチョッパ安定化アンプ- Allegro Technical Paper STP 99-1
• A. Bakker、K. Thiele、J. Huijsing、「100 nV オフセットの CMOS ネスト チョッパ計装アンプ」 - IEEE J. Solid-State Circuits、vol. 35 No. 12、2000 年 12 月