Introduzione
In questo articolo introduttivo parleremo del funzionamento di un induttore in un alimentatore switching. Se siete alle prime armi con la progettazione di alimentatori e vi chiedete perché un diodo sembra polarizzato direttamente, mentre in realtà non dovrebbe esserlo, allora, con ogni probabilità, ciò è dovuto all'induttore. Questo articolo fa al caso vostro.
Capire gli induttori
Inizialmente, abbiamo studiato gli induttori all'università, sia in circuiti a corrente alternata che continua. In un circuito a corrente alternata, forniamo all'induttore un ingresso sinusoidale e osserviamo le variazioni di ampiezza e fase. In un circuito a corrente continua, forniamo un ingresso a gradino unitario e studiamo le variazioni risultanti di corrente o tensione ai capi dell'induttore.
Tuttavia, il comportamento di un induttore in un alimentatore switching differisce notevolmente dai semplici circuiti CA o CC studiati all'università.
Principi di base dell'induttore
Un induttore cerca sempre di mantenere la corrente che lo attraversa. Si oppone a qualsiasi variazione di corrente creando una forza controelettromotrice (FEM). Ad esempio, se un induttore è attraversato da 1 A e si tenta una variazione, l'induttore genera una forza controelettromotrice (FEM) per opporsi a tale variazione. Questo principio può essere paragonato a quello di spingere un'auto pesante da ferma: inizialmente oppone resistenza al movimento e, una volta in movimento, oppone resistenza all'arresto.
Induttore in un circuito CC
Si consideri un semplice circuito a corrente continua con una batteria da 1 V, un interruttore, una resistenza da 1 ohm e un induttore. Inizialmente, l'induttore non è attraversato da corrente. Quando l'interruttore è chiuso, viene applicata una tensione di 1 V e la corrente inizia a fluire. L'induttore si oppone al passaggio da 0 A a 1 A generando una forza controelettromotrice pari alla tensione applicata (1 V). Questo crea un aumento logaritmico della corrente attraverso l'induttore nel tempo.
Un induttore in un alimentatore switching
In un alimentatore, la resistenza è prossima a zero ohm e la corrente non segue la stessa curva logaritmica. Invece, cresce in linea retta, formando un'onda di corrente triangolare. L'accensione e lo spegnimento della corrente producono questa forma triangolare, che semplifica l'analisi utilizzando l'equazione per una linea retta (y = mx + c).
Esempio di analisi del circuito
Consideriamo un circuito con una sorgente da 1 V, un interruttore, una resistenza da 1 ohm, un induttore e un'ulteriore resistenza da 2 ohm controllata da un altro interruttore. Quando l'interruttore iniziale è chiuso, la corrente sale a 1 A. Se questo interruttore viene aperto e il secondo interruttore viene chiuso contemporaneamente, l'induttore forza la corrente a fluire attraverso il nuovo percorso con una resistenza di 3 ohm, creando una forza controelettromotrice di 3 V per mantenere il flusso di corrente di 1 A.
Interruttori meccanici vs. a semiconduttore
Gli interruttori meccanici possono aprirsi istantaneamente, creando un'elevata forza controelettromotrice (FEM) che può ionizzare l'aria e causare scintille. Per questo motivo, la tensione nominale in corrente alternata (CA) di un interruttore è superiore a quella in corrente continua (CC). Gli interruttori a semiconduttore, tuttavia, impiegano un tempo finito per aprirsi e chiudersi, influenzando il comportamento dell'induttore. L'equazione standard per la FEM di ritorno dell'induttore è E = -L (di/dt), derivata dalle leggi di Faraday e Lenz.
Comportamento dell'induttore negli alimentatori pratici
Negli alimentatori pratici, la rapida commutazione dei MOSFET può creare picchi di tensione elevati a causa degli elevati valori di di/dt. Ad esempio, la commutazione da 10 A a 0 A in 10 nanosecondi genera un'enorme forza elettromotrice inversa (FEM), che si manifesta sotto forma di rumore e picchi.
Conclusione
In questo articolo abbiamo discusso il comportamento degli induttori negli alimentatori switching CC-CC, la forma triangolare della corrente, la direzione della forza controelettromotrice e l'impatto di un elevato di/dt sui picchi di tensione.
