Az induktív tekercs szerepe az SMPS-ben

A kapcsolt módú átalakító vagy az SMPS legfontosabb eleme az induktor.

Az energiát mágneses tér formájában tárolják az induktor maganyagában a rövid BE időtartam alatt (t_tovább) kapcsolja át a csatlakoztatott kapcsolóelemet, például MOSFET vagy BJT.

Hogyan működik az induktor az SMPS-ben

Ezen ON periódus alatt a V feszültséget az L induktivitáson keresztül alkalmazzák, és az induktoron keresztüli áram idővel változik.

Ezt a jelenlegi változást az induktivitás 'korlátozza', ezért megtaláljuk a kapcsolódó fojtó kifejezést, amelyet általában az SMPS induktor alternatív néveként használnak, amelyet matematikailag a képlet képvisel:

di / dt = V / L

A kapcsoló kikapcsolásakor az induktorban tárolt energia felszabadul vagy „visszarúg”.

A tekercseken kialakult mágneses mező összeomlik, mivel nincs áramáram vagy feszültség a mező megtartására. Az összeomló mező ezen a ponton élesen „átvágja” a tekercseket, ami az eredetileg alkalmazott kapcsolási feszültséggel ellentétes polaritású fordított feszültséget épít.

Ez a feszültség miatt az áram ugyanabba az irányba mozog. Energiacsere történik tehát az induktivitekercs bemenete és kimenete között.

Az induktornak a fentiekben kifejtett módon történő megvalósításáról Lenz törvényének elsődleges alkalmazása tanúskodhat. Másrészt eleinte úgy tűnik, hogy egyetlen energiát sem lehet „végtelenül” tárolni az induktoron belül, csakúgy, mint egy kondenzátort.

Képzeljünk el egy szupravezető huzal segítségével épített induktort. Miután egy kapcsolási potenciállal „feltöltötték”, a tárolt energiát mágneses mező formájában örökre meg lehet tartani.

Ennek az energiának a gyors kinyerése azonban teljesen más kérdés lehet. Az induktoron belül mennyi energiát lehet elrejteni, amelyet az induktor maganyagának Bmax telítési fluxus sűrűsége korlátoz.

Ez az anyag általában ferrit. Abban a pillanatban, amikor az induktor telítettségbe kerül, a mag anyaga elveszíti a mágneses képességét.

Az anyag belsejében található összes mágneses dipólus összehangolódik, ezáltal több energia nem képes felhalmozódni mágneses térként benne. Az anyag telítési fluxus sűrűségét általában a maghőmérséklet változása befolyásolja, amely 100 ° C-on 50% -kal csökkenhet, mint az eredeti értéke 25 ° C-on.

Pontosabban, ha az SMPS induktív mag nem akadályozott a telítettségben, akkor az induktív hatás miatt az átfolyó áram irányíthatatlanná válik.

Ez most csak a tekercsek ellenállásával korlátozódik, és az áram mennyisége, amelyet a forrás betáplálni képes. A helyzetet általában a kapcsolóelem maximális bekapcsolási ideje szabályozza, amely megfelelően korlátozott a mag telítettségének megakadályozására.

Az induktív feszültség és áram kiszámítása

A telítettségi pont vezérléséhez és optimalizálásához tehát az induktoron átmenő áramot és feszültséget megfelelően kiszámolják az összes SMPS-terv. Az SMPS-tervezés kulcsfontosságú tényezőjévé válik a jelenlegi időbeli változás. Ezt adja:

i = (Vin / L) t_tovább

A fenti képlet egy nulla ellenállást vesz figyelembe az induktorral sorozatban. Gyakorlatilag azonban a kapcsolóelemhez, az induktorhoz és a NYÁK-sávhoz tartozó ellenállás mind hozzájárul az induktoron keresztüli maximális áram korlátozásához.

Tegyük fel, hogy ez az ellenállás összesen 1 ohm, ami meglehetősen ésszerűnek tűnik.

Így az induktoron átáramló áram értelmezhető így:

i = (V_{ban ben}/ R) x (1 - e^{-t_továbbR / L})

Magtelítettségi grafikonok

Az alább látható grafikonokra hivatkozva az első grafikon az áram különbségét mutatja egy 10 µH-os induktoron keresztül, sorozat nélküli ellenállás nélkül, és ha 1 Ohm-ot sorozatosan helyeznek be.

Az alkalmazott feszültség 10 V. Ha nincs sorozatos 'korlátozó' ellenállás, az áram gyors és folyamatos megugrását okozhatja egy végtelen időtartam alatt.

Nyilvánvaló, hogy ez nem megvalósítható, azonban a jelentés hangsúlyozza, hogy az induktor árama gyorsan elérheti a jelentős és potenciálisan veszélyes nagyságokat. Ez a képlet csak addig érvényes, amíg az induktor a telítési pont alatt marad.

Amint az induktív mag eléri a telítettséget, az induktív koncentráció nem képes optimalizálni az aktuális emelkedést. Ezért az áram nagyon gyorsan emelkedik, ami egyszerűen meghaladja az egyenlet előrejelzési tartományát. A telítettség során az áram korlátozódik egy olyan értéken, amelyet általában a soros ellenállás és az alkalmazott feszültség határoz meg.

Kisebb induktorok esetén az átmenő áram növekedése nagyon gyors, de jelentős energiát képesek megtartani egy meghatározott időn belül. Éppen ellenkezőleg, a nagyobb induktivitási értékek lassú áramemelkedést mutathatnak, de ezek nem képesek megtartani a magas energiaszintet ugyanazon a megadott időn belül.

Ez a hatás a második és a harmadik grafikonon látható. Az előbbi 10 uH, 100 µH és 1 mH induktorok áramának növekedését mutatja, amikor 10 V-os tápellátást használnak.

A 3. ábra az azonos értékű induktorok idővel elraktározott energiáját mutatja.

A negyedik grafikonon az aktuális emelkedést láthatjuk ugyanazon induktorokon keresztül, 10 V-os feszültség alkalmazásával, bár most 1 Ohm-os soros ellenállást helyeznek sorba az induktorral.

Az ötödik grafikon az ugyanazon induktorok számára tárolt energiát mutatja be.

Itt nyilvánvaló, hogy ez a 10 µH induktoron átáramló áram nagyjából 50 ms alatt gyorsan felszáll a 10 A maximális érték felé. Az 1 ohmos ellenállás eredményeként azonban csak közel 500 millijoule képes megtartani.

Ennek ellenére a 100 µH és 1 mH induktorokon átáramló áram növekszik, és a tárolt energiát általában nem befolyásolja a soros ellenállás ugyanazon idő alatt.