Introduktion
I denne introduktionsartikel vil vi tale om en induktors funktion i en switch-mode strømforsyning. Hvis du er ny inden for strømforsyningsdesign og undrer dig over, hvorfor en diode ser ud til at være fremadrettet, mens den ser ud til ikke at være det, så er det højst sandsynligt på grund af induktoren. Denne artikel er til dig.
Forståelse af induktorer
I starten studerede vi induktorer på universitetet, både i AC- og DC-kredsløb. I et AC-kredsløb giver vi induktoren en sinusformet indgang og observerer ændringer i amplitude og fase. I et DC-kredsløb giver vi et trinvis indgang og studerer de resulterende ændringer i strøm eller spænding over induktoren.
Imidlertid adskiller en induktors opførsel i en switch-mode strømforsyning sig betydeligt fra de simple AC- eller DC-kredsløb, der studeres på universitetet.
Grundlæggende induktorprincipper
En induktor forsøger altid at opretholde strømmen, der flyder gennem den. Den modvirker enhver ændring i strømmen ved at skabe en mod-EMK. Hvis der for eksempel flyder 1 A gennem en induktor, og en ændring forsøges, genererer induktoren en mod-EMK for at modvirke denne ændring. Dette princip kan sammenlignes med at skubbe en tung bil fra stilstand - den modstår bevægelse i starten, og når den er i bevægelse, modstår den at stoppe.
Induktor i et DC-kredsløb
Forestil dig et simpelt DC-kredsløb med et 1V batteri, en afbryder, en 1-ohm modstand og en induktor. I starten er der ingen strøm gennem induktoren. Når afbryderen er lukket, påføres 1V, og strømmen begynder at flyde. Induktoren modvirker ændringen fra 0A til 1A ved at generere en mod-EMF lig med den påførte spænding (1V). Dette skaber en logaritmisk stigning i strømmen gennem induktoren over tid.
En induktor i en switching strømforsyning
I en strømforsyning er modstanden næsten nul ohm, og strømmen følger ikke den samme logaritmiske kurve. I stedet stiger den i en ret linje og danner en trekantet strømbølgeform. Tænd- og sluk-processen resulterer i denne trekantede form, hvilket forenkler analysen ved hjælp af ligningen for en ret linje (y = mx + c).
Eksempel på kredsløbsanalyse
Lad os betragte et kredsløb med en 1V kilde, en kontakt, en 1-ohm modstand, en induktor og en yderligere 2-ohm modstand styret af en anden kontakt. Når den første kontakt lukkes, stiger strømmen til 1A. Hvis denne kontakt åbnes, og den anden kontakt lukkes samtidigt, tvinger induktoren strømmen til at flyde gennem den nye bane med 3 ohm modstand, hvilket skaber en mod-EMK på 3V for at opretholde 1A strømmen.
Mekaniske vs. halvlederafbrydere
Mekaniske afbrydere kan åbne øjeblikkeligt, hvilket skaber en høj mod-EMK, der kan ionisere luft og forårsage gnister. Derfor er en afbryders vekselspænding højere end jævnspændingen. Halvlederafbrydere tager dog en begrænset tid at åbne og lukke, hvilket påvirker induktorens opførsel. Standardligningen for induktorens mod-EMK er E = -L (di/dt), afledt af Faradays og Lenz' love.
Induktoradfærd i praktiske strømforsyninger
I praktiske strømforsyninger kan den hurtige omskiftning af MOSFET'er skabe store spændingsspidser på grund af høje di/dt-værdier. For eksempel genererer et skift fra 10 A til 0 A på 10 nanosekunder en massiv mod-EMK, der manifesterer sig som støj og spidser.
Konklusion
I denne artikel diskuterede vi induktorers opførsel i DC-DC switch-mode strømforsyninger, den trekantede strømform, retningen af mod-EMF og virkningen af høj di/dt på spændingsspidser.
