Den richtigen Chopper wählen: Umfassender Leitfaden zu Typen und Anwendungen

Bei den meisten Leistungselektronik-Anwendungen arbeiten Schaltelemente entweder ganz aus oder ganz ein. Dadurch sind die Verluste gering und der Wirkungsgrad hoch. Der Strom zur Last kann jedoch diskontinuierlich sein – dann sind hohe Schaltfrequenzen oder Glättung erforderlich. Hier kommt der Chopper zum Einsatz, um das System zu stabilisieren.

Heute besprechen wir die Klassifizierung von Choppern nach Kommutationsverfahren und weiteren Merkmalen.

1. Was ist ein Chopper-Kreis?

Ein Chopper (DC-Äquivalent eines AC-Transformators) ist ein halbleiterbasiertes elektrisches Gerät. Er wandelt eine feste DC-Eingangsspannung (V_s) in eine variable DC-Leistung oder Ausgangsspannung (V_o) um. Der DC-Ausgang kann niedriger oder höher als die Eingangsspannung sein.

2. Wie funktioniert ein Chopper?

Ein Chopper-Kreis besteht grundsätzlich aus Last, Widerstand und Halbleiterdiode (siehe Diagramm).

Schaltbild eines Choppers

Er arbeitet mit hoher Geschwindigkeit: Verbindet Quelle und Last, dann trennt er sie wieder. Das periodische Öffnen und Schließen steuert die Ausgangsspannung.

• Schalter SW ist der Chopper; bei hoher Geschwindigkeit EIN oder AUS. So wird die Last von V_s (Versorgungsquelle) getrennt oder verbunden.
• EIN: Quellspannung = Lastspannung. AUS: Lastspannung = 0.

3. Chopper-Typen

Klassifizierung nach verschiedenen Merkmalen:

Nach Funktionsprinzip

AC-Link-Chopper

Spannungsumkehr: Ein Inverter wandelt DC in AC, dann durchläuft es einen Hoch-/Runter-Transformator, schließlich wandelt ein Gleichrichter die Ausgabe zurück in DC.

DC-Chopper

DC-Chopper wirken wie Abwärts-/Aufwärts-Transformatoren für DC-Spannung. Sie wandeln konstante DC-Spannung in niedrigere oder höhere Werte um.

Nach Kommutationsverfahren

Natürlich kommutierter Chopper

Arbeitet in AC-Kreisen: Die Versorgungsspannung kommt von einer AC-Quelle. Bei negativer Spannung am Thyristor/SCR schaltet dieser ab.

Erzwungen kommutierter Chopper

Arbeitet in DC-Kreisen. Kommutierung durch Absenken des SCR-Stroms unter den Haltewert oder Sperrspannung anlegen. Beispiele: Morgan-Chopper, Jones-Chopper.

Nach Schaltverlusten

Hart schaltender Chopper (Hard Switching)

Nutzt die natürliche Schaltfähigkeit der Bauelemente.

Weich schaltender Chopper (Soft Switching)

Nutzt LC-Resonanzschaltungen, um bei Nulldurchgang von Spannung oder Strom zu schalten.

Nach Ausgangsspannungswerten

Step-Up / Boost Chopper

Quellspannung < durchschnittliche DC-Ausgangsspannung (V_o > V_s). Leistungsfluss von Last zur Quelle. Laststrom hat EMF-Quelle und ist induktiv.

Step-Down Chopper

Quellspannung > durchschnittliche DC-Ausgangsspannung (V_s > V_o). Leistungsfluss von Quelle zur Last.

Klassifizierung nach Quadrantenbetrieb

Chopper begrenzen die Stromrichtung (Halbleiter). Durch Modifikation können vier Quadranten abgedeckt werden – es ergeben sich fünf Chopper-Typen.

Die vier Chopper-Quadranten

Klasse-A-Chopper / Typ A

Arbeitet nur im 1. Quadranten. Lastspannung (V_O) und Laststrom (i_O) immer positiv. Leistungsübertragung Quelle → Last. Beispiel: Step-Down-Chopper.

Klasse-B-Chopper / Typ B

Arbeitet im 2. Quadranten. Laststrom negativ, Ausgangsspannung positiv. Negativer Laststrom: Leistung Last → Quelle. Beispiel: Step-Up-Chopper.

Klasse-C-Chopper / Zweiquadranten-Klasse-A / Typ C

Parallelschaltung von Klasse-A und Klasse-B. Arbeitet im 1. oder 2. Quadranten. 1. Quadrant: Step-Down; 2. Quadrant: Step-Up.

Klasse-D-Chopper / Zweiquadranten-Klasse-B / Typ D

Arbeitet im 1. und 4. Quadranten. Leistung Last ↔ Quelle umkehrbar. Mittlere Ausgangsspannung umkehrbar, Laststromrichtung nicht.

Klasse-E-Chopper / Typ E

Universalchopper: arbeitet in allen 4 Quadranten. Benötigt 4 Dioden und 4 Schalter/Halbleiterschalter. Induktive Last erforderlich. In 3. und 4. Quadrant umgekehrte Last-EMK-Polarität.

Anwendungen von Choppern

• Batterieladegeräte
• DC-Spannungserhöhung
• Schaltkondensator-Filter
• Beleuchtungs- und Lampensteuerung
• Ansteuerung bürstenloser Drehmoment-/Schrittmotoren in Aktuatoren

Schrittmotor

• Frequenzumrichter
• Signalverarbeitungssysteme
• Flugzeuge und Raumschiffe
• Drehzahlregler für DC-Motoren
• Eisenbahn-Traktionssysteme
• Solarenergieumwandlung
• Batteriebetriebene Elektroautos
• Schaltnetzteile (DC-DC-Wandler)
• Klasse-D-Verstärker

Fazit

Zusammenfassend: Viele technologische Industrien setzen Chopper für Schnellverkehrssysteme ein. Chopper-Kreise bieten hohen Wirkungsgrad, schnelles Ansprechen, Rekuperationsfähigkeit und feine Steuerung. Auch Leistungshalbleiter wie IGBT oder zwangskommutierte Thyristoren finden Verwendung.

Das war's für heute – wir hoffen, Sie haben viel über Chopper gelernt. Bei Fragen oder Unklarheiten melden Sie sich gerne!