Úvod
V tomto úvodním článku si povíme o fungování induktoru ve spínaném napájecím zdroji. Pokud jste v oblasti návrhu napájecích zdrojů nováčkem a zajímá vás, proč se zdá, že dioda je v přímém směru polarizována, i když by v tom zřejmě být neměla, pak je to s největší pravděpodobností kvůli induktoru. Tento článek je určen právě vám.
Pochopení induktorů
Zpočátku jsme na univerzitě studovali induktory, a to jak ve střídavých, tak i stejnosměrných obvodech. Ve střídavém obvodu přivádíme do induktoru sinusový vstup a pozorujeme změny amplitudy a fáze. Ve stejnosměrném obvodu přivádíme jednotkový skokový vstup a studujeme výsledné změny proudu nebo napětí na induktoru.
Chování induktoru ve spínaném zdroji se však výrazně liší od jednoduchých obvodů střídavého nebo stejnosměrného proudu studovaných na univerzitě.
Základní principy induktorů
Induktor se vždy snaží udržet proud, který jím protéká. Jakékoli změně proudu se brání vytvářením zpětného elektromotorického pole. Například pokud induktorem protéká 1 A a pokusí se o změnu, induktor generuje zpětné elektromotorické pole, které této změně brání. Tento princip lze přirovnat k rozjíždění těžkého auta z klidu – zpočátku se brání pohybu a jakmile se dá do pohybu, brání se i zastavení.
Induktor v stejnosměrném obvodu
Uvažujme jednoduchý stejnosměrný obvod s 1V baterií, spínačem, 1ohmovým rezistorem a cívkou. Zpočátku cívkou neprotéká žádný proud. Když je spínač sepnutý, je přivedeno napětí 1 V a proud začne protékat. Cívka se brání změně z 0 A na 1 A generováním zpětné elektromotorické síly rovnající se přiloženému napětí (1 V). To vytváří logaritmický nárůst proudu procházejícího cívkou v průběhu času.
Induktor ve spínaném zdroji
V napájecím zdroji je odpor téměř nulový a proud nesleduje stejnou logaritmickou křivku. Místo toho stoupá přímočaře a vytváří trojúhelníkový průběh proudu. Zapínání a vypínání proudu vede k tomuto trojúhelníkovému tvaru, což zjednodušuje analýzu pomocí rovnice pro přímku (y = mx + c).
Příklad analýzy obvodu
Uvažujme obvod s 1V zdrojem, spínačem, 1ohmovým rezistorem, induktorem a dalším 2ohmovým rezistorem ovládaným dalším spínačem. Když je první spínač sepnutý, proud se zvýší na 1 A. Pokud je tento spínač rozepnutý a zároveň sepnutý druhý spínač, induktor vynutí tok proudu novou cestou s odporem 3 ohmy, čímž vytvoří zpětnou elektromotorickou sílu 3 V, která udrží tok proudu 1 A.
Mechanické vs. polovodičové spínače
Mechanické spínače se mohou okamžitě rozepnout a vytvořit tak vysoké zpětné elektromotorické napětí, které může ionizovat vzduch a způsobit jiskry. Proto je jmenovité střídavé napětí spínače vyšší než jmenovité stejnosměrné napětí. Polovodičové spínače se však rozepnou a sepnou za omezený čas, což ovlivňuje chování induktoru. Standardní rovnice pro zpětné elektromotorické napětí induktoru je E = -L (di/dt), odvozená z Faradayových a Lenzových zákonů.
Chování induktoru v praktických napájecích zdrojích
V praktických napájecích zdrojích může rychlé přepínání MOSFETů vytvářet velké napěťové špičky v důsledku vysokých hodnot di/dt. Například přepnutí z 10 A na 0 A za 10 nanosekund generuje masivní zpětnou elektromotorickou sílu, která se projevuje jako šum a špičky.
Závěr
V tomto článku jsme se zabývali chováním induktorů v DC-DC spínaných napájecích zdrojích, trojúhelníkovým tvarem proudu, směrem zpětné elektromotorické síly a vlivem vysokého di/dt na napěťové špičky.
