Εισαγωγή
Σε αυτό το εισαγωγικό άρθρο, θα μιλήσουμε για τη δράση ενός επαγωγέα σε ένα τροφοδοτικό με λειτουργία διακόπτη. Εάν είστε νέοι στο σχεδιασμό τροφοδοτικού και αναρωτιέστε γιατί μια δίοδος φαίνεται να είναι ορθά πολωμένη ενώ φαίνεται ότι δεν θα έπρεπε να είναι, τότε κατά πάσα πιθανότητα, αυτό οφείλεται στον επαγωγέα. Αυτό το άρθρο είναι για εσάς.
Κατανόηση των επαγωγέων
Αρχικά, μελετήσαμε τους επαγωγείς στο πανεπιστήμιο, τόσο σε κυκλώματα AC όσο και σε κυκλώματα DC. Σε ένα κύκλωμα AC, δίνουμε στον επαγωγέα μια ημιτονοειδή είσοδο και παρατηρούμε αλλαγές στο πλάτος και τη φάση. Σε ένα κύκλωμα DC, παρέχουμε μια είσοδο μοναδιαίου βήματος και μελετάμε τις προκύπτουσες αλλαγές στο ρεύμα ή την τάση στον επαγωγέα.
Ωστόσο, η συμπεριφορά ενός επαγωγέα σε μια τροφοδοσία ρεύματος με διακόπτη διαφέρει σημαντικά από τα απλά κυκλώματα AC ή DC που μελετώνται στο πανεπιστήμιο.
Βασικές Αρχές Επαγωγέα
Ένας επαγωγέας προσπαθεί πάντα να διατηρεί το ρεύμα που ρέει μέσα από αυτόν. Αντιτίθεται σε οποιαδήποτε αλλαγή στο ρεύμα δημιουργώντας ένα αντίστροφο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (EMF). Για παράδειγμα, εάν υπάρχει 1A που ρέει μέσα από έναν επαγωγέα και επιχειρηθεί μια αλλαγή, ο επαγωγέας δημιουργεί ένα αντίστροφο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο για να αντισταθεί σε αυτήν την αλλαγή. Αυτή η αρχή μπορεί να παρομοιαστεί με την ώθηση ενός βαρέος αυτοκινήτου από την ηρεμία - αρχικά αντιστέκεται στην κίνηση και, μόλις κινηθεί, αντιστέκεται στο σταμάτημα.
Επαγωγέας σε κύκλωμα συνεχούς ρεύματος
Θεωρήστε ένα απλό κύκλωμα συνεχούς ρεύματος με μια μπαταρία 1V, έναν διακόπτη, μια αντίσταση 1 ohm και έναν επαγωγέα. Αρχικά, δεν υπάρχει ρεύμα που να ρέει μέσω του επαγωγέα. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, εφαρμόζεται 1V και το ρεύμα αρχίζει να ρέει. Ο επαγωγέας αντιτίθεται στην αλλαγή από 0A σε 1A δημιουργώντας μια αντίστροφη ηλεκτρομαγνητική πεδία (EMF) ίση με την εφαρμοζόμενη τάση (1V). Αυτό δημιουργεί μια λογαριθμική αύξηση του ρεύματος μέσω του επαγωγέα με την πάροδο του χρόνου.
Ένας επαγωγέας σε μια τροφοδοσία μεταγωγής
Σε ένα τροφοδοτικό, η αντίσταση είναι σχεδόν μηδέν ohms και το ρεύμα δεν ακολουθεί την ίδια λογαριθμική καμπύλη. Αντίθετα, ανεβαίνει σε ευθεία γραμμή, σχηματίζοντας μια τριγωνική κυματομορφή ρεύματος. Η ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ρεύματος έχει ως αποτέλεσμα αυτό το τριγωνικό σχήμα, το οποίο απλοποιεί την ανάλυση χρησιμοποιώντας την εξίσωση για μια ευθεία γραμμή (y = mx + c).
Παράδειγμα Ανάλυσης Κυκλώματος
Ας εξετάσουμε ένα κύκλωμα με μια πηγή 1V, έναν διακόπτη, μια αντίσταση 1 ohm, έναν επαγωγέα και μια επιπλέον αντίσταση 2 ohm που ελέγχεται από έναν άλλο διακόπτη. Όταν ο αρχικός διακόπτης είναι κλειστός, το ρεύμα αυξάνεται στο 1A. Εάν αυτός ο διακόπτης ανοίξει και ο δεύτερος διακόπτης κλείσει ταυτόχρονα, ο επαγωγέας αναγκάζει το ρεύμα να ρέει μέσω της νέας διαδρομής με αντίσταση 3 ohms, δημιουργώντας μια αντίστροφη ηλεκτρομαγνητική πεδία 3V για να διατηρήσει τη ροή ρεύματος 1A.
Μηχανικοί έναντι ημιαγωγών διακοπτών
Οι μηχανικοί διακόπτες μπορούν να ανοίξουν ακαριαία, δημιουργώντας ένα υψηλό οπισθοηλεκτρεγερτικό πεδίο (EMF) που μπορεί να ιονίσει τον αέρα και να προκαλέσει σπινθήρες. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η ονομαστική τάση AC ενός διακόπτη είναι υψηλότερη από την ονομαστική τάση DC. Οι ημιαγωγοί διακόπτες, ωστόσο, χρειάζονται έναν πεπερασμένο χρόνο για να ανοίξουν και να κλείσουν, επηρεάζοντας τη συμπεριφορά του επαγωγέα. Η τυπική εξίσωση για την οπισθοηλεκτρεγερτική δύναμη του επαγωγέα είναι E = -L (di/dt), που προκύπτει από τους νόμους των Faraday και Lenz.
Συμπεριφορά επαγωγέα σε πρακτικά τροφοδοτικά
Στα πρακτικά τροφοδοτικά, η ταχεία εναλλαγή των MOSFET μπορεί να δημιουργήσει μεγάλες αιχμές τάσης λόγω των υψηλών τιμών di/dt. Για παράδειγμα, η εναλλαγή από 10A σε 0A σε 10 νανοδευτερόλεπτα παράγει ένα τεράστιο αντίστροφο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (back EMF), που εκδηλώνεται ως θόρυβος και αιχμές.
Συμπέρασμα
Σε αυτό το άρθρο, συζητήσαμε τη συμπεριφορά των επαγωγέων σε τροφοδοτικά με διακόπτη DC-DC, το τριγωνικό σχήμα ρεύματος, την κατεύθυνση της αντίστροφης ηλεκτρομαγνητικής δύναμης (back EMF) και την επίδραση του υψηλού di/dt στις αιχμές τάσης.
