Einführung
In diesem Einführungsartikel besprechen wir die Wirkung einer Induktivität in einem Schaltnetzteil. Wenn Sie sich mit der Entwicklung von Netzteilen noch nicht auskennen und sich fragen, warum eine Diode scheinbar in Durchlassrichtung vorgespannt ist, obwohl dies nicht der Fall sein sollte, liegt das höchstwahrscheinlich an der Induktivität. Dieser Artikel richtet sich an Sie.
Induktoren verstehen
An der Universität haben wir uns zunächst mit Induktoren beschäftigt, sowohl in Wechselstrom- als auch in Gleichstromkreisen. In einem Wechselstromkreis geben wir der Induktor einen sinusförmigen Eingang und beobachten Änderungen in Amplitude und Phase. In einem Gleichstromkreis geben wir einen Einheitsschritteingang und untersuchen die daraus resultierenden Änderungen von Stromstärke oder Spannung an der Induktor.
Das Verhalten einer Induktivität in einem Schaltnetzteil unterscheidet sich jedoch erheblich von den einfachen Wechsel- oder Gleichstromkreisen, die man an der Universität studiert.
Grundlegende Induktorprinzipien
Eine Induktivität versucht stets, den durch sie fließenden Strom aufrechtzuerhalten. Sie wirkt jeder Stromänderung entgegen, indem sie eine Gegen-EMK erzeugt. Fließt beispielsweise 1 A durch eine Induktivität und wird eine Änderung versucht, erzeugt die Induktivität eine Gegen-EMK, um dieser Änderung entgegenzuwirken. Dieses Prinzip lässt sich mit dem Anschieben eines schweren Autos aus dem Stand vergleichen: Es widersetzt sich zunächst der Bewegung und widersetzt sich, sobald es in Bewegung ist, dem Anhalten.
Induktor in einem Gleichstromkreis
Betrachten Sie einen einfachen Gleichstromkreis mit einer 1-V-Batterie, einem Schalter, einem 1-Ohm-Widerstand und einer Induktivität. Zunächst fließt kein Strom durch die Induktivität. Sobald der Schalter geschlossen ist, wird 1 V angelegt, und der Strom beginnt zu fließen. Die Induktivität wirkt dem Wechsel von 0 A auf 1 A entgegen, indem sie eine Gegen-EMK erzeugt, die der angelegten Spannung (1 V) entspricht. Dadurch steigt der Stromfluss durch die Induktivität mit der Zeit logarithmisch an.
Eine Induktivität in einem Schaltnetzteil
In einem Netzteil beträgt der Widerstand nahezu null Ohm, und der Strom folgt nicht der gleichen logarithmischen Kurve. Stattdessen steigt er geradlinig an und bildet eine dreieckige Stromwellenform. Das Ein- und Ausschalten des Stroms führt zu dieser Dreiecksform, was die Analyse mithilfe der Gleichung für eine Gerade (y = mx + c) vereinfacht.
Beispiel einer Schaltungsanalyse
Betrachten wir einen Schaltkreis mit einer 1-V-Quelle, einem Schalter, einem 1-Ohm-Widerstand, einer Induktivität und einem zusätzlichen 2-Ohm-Widerstand, der von einem weiteren Schalter gesteuert wird. Wenn der erste Schalter geschlossen ist, steigt der Strom auf 1 A. Wird dieser Schalter geöffnet und gleichzeitig der zweite Schalter geschlossen, zwingt die Induktivität den Strom, durch den neuen Pfad mit 3 Ohm Widerstand zu fließen. Dadurch entsteht eine Gegen-EMK von 3 V, um den 1-A-Stromfluss aufrechtzuerhalten.
Mechanische vs. Halbleiterschalter
Mechanische Schalter können sich schlagartig öffnen und dabei eine hohe Gegen-EMK erzeugen, die Luft ionisieren und Funken verursachen kann. Aus diesem Grund ist die Wechselspannungsnennspannung eines Schalters höher als die Gleichspannungsnennspannung. Halbleiterschalter benötigen jedoch eine begrenzte Zeit zum Öffnen und Schließen, was das Verhalten der Induktivität beeinflusst. Die Standardgleichung für die Gegen-EMK der Induktivität lautet E = -L (di/dt), abgeleitet aus den Faradayschen und Lenzschen Gesetzen.
Induktorverhalten in praktischen Stromversorgungen
In praktischen Stromversorgungen kann das schnelle Schalten von MOSFETs aufgrund hoher di/dt-Werte zu starken Spannungsspitzen führen. Beispielsweise erzeugt das Schalten von 10 A auf 0 A in 10 Nanosekunden eine massive Gegen-EMK, die sich in Rauschen und Spannungsspitzen äußert.
Fazit
In diesem Artikel haben wir das Verhalten von Induktoren in DC-DC-Schaltnetzteilen, die dreieckige Stromform, die Richtung der Gegen-EMK und die Auswirkungen eines hohen di/dt auf Spannungsspitzen besprochen.
