Wprowadzenie
W tym artykule wprowadzającym omówimy działanie cewki indukcyjnej w zasilaczu impulsowym. Jeśli jesteś nowy w projektowaniu zasilaczy i zastanawiasz się, dlaczego dioda wydaje się być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, podczas gdy wygląda na to, że nie powinna być, to najprawdopodobniej jest to spowodowane cewką indukcyjną. Ten artykuł jest dla Ciebie.
Zrozumienie induktorów
Początkowo badaliśmy induktory na uniwersytecie, zarówno w obwodach AC, jak i DC. W obwodzie AC podajemy induktorowi sinusoidalne wejście i obserwujemy zmiany amplitudy i fazy. W obwodzie DC podajemy jednostkowe wejście krokowe i badamy wynikające z tego zmiany prądu lub napięcia na induktorze.
Jednak zachowanie cewki indukcyjnej w zasilaczu impulsowym znacznie różni się od prostych obwodów prądu przemiennego lub stałego badanych na uniwersytecie.
Podstawowe zasady działania induktorów
Induktor zawsze stara się utrzymać przepływający przez niego prąd. Przeciwstawia się każdej zmianie prądu, tworząc siłę elektromotoryczną (SEM). Na przykład, jeśli przez induktor przepływa 1A i podejmowana jest próba zmiany, induktor generuje siłę elektromotoryczną (SEM), aby przeciwstawić się tej zmianie. Tę zasadę można porównać do pchania ciężkiego samochodu z miejsca — początkowo stawia on opór ruchowi, a gdy już się porusza, stawia opór zatrzymaniu.
Induktor w obwodzie prądu stałego
Rozważmy prosty obwód prądu stałego z baterią 1 V, przełącznikiem, rezystorem 1 ohm i cewką indukcyjną. Początkowo przez cewkę indukcyjną nie płynie żaden prąd. Gdy przełącznik jest zamknięty, przyłożone zostaje 1 V, a prąd zaczyna płynąć. Cewka indukcyjna przeciwdziała zmianie z 0 A na 1 A, generując siłę elektromotoryczną równą przyłożonemu napięciu (1 V). Powoduje to logarytmiczny wzrost prądu przez cewkę indukcyjną w czasie.
Induktor w zasilaczu impulsowym
W zasilaczu rezystancja wynosi prawie zero omów, a prąd nie podąża tą samą krzywą logarytmiczną. Zamiast tego narasta w linii prostej, tworząc trójkątny przebieg prądu. Włączanie i wyłączanie prądu powoduje ten trójkątny kształt, co upraszcza analizę przy użyciu równania dla linii prostej (y = mx + c).
Przykładowa analiza obwodu
Rozważmy obwód ze źródłem 1 V, przełącznikiem, rezystorem 1 omowym, cewką indukcyjną i dodatkowym rezystorem 2 omowym sterowanym przez inny przełącznik. Gdy początkowy przełącznik jest zamknięty, prąd wzrasta do 1 A. Jeśli ten przełącznik jest otwarty, a drugi przełącznik jest zamknięty jednocześnie, cewka indukcyjna wymusza przepływ prądu przez nową ścieżkę z 3 omami oporu, tworząc siłę elektromotoryczną powrotną 3 V, aby utrzymać przepływ prądu 1 A.
Przełączniki mechaniczne i półprzewodnikowe
Przełączniki mechaniczne mogą otwierać się natychmiastowo, tworząc wysokie napięcie zwrotne SEM, które może jonizować powietrze i powodować iskrzenie. Dlatego napięcie znamionowe AC przełącznika jest wyższe niż napięcie znamionowe DC. Jednak przełączniki półprzewodnikowe potrzebują skończonego czasu na otwarcie i zamknięcie, co wpływa na zachowanie induktora. Standardowe równanie dla napięcia zwrotnego SEM induktora to E = -L (di/dt), wyprowadzone z praw Faradaya i Lenza.
Zachowanie cewek indukcyjnych w praktycznych zasilaczach
W praktycznych zasilaczach szybkie przełączanie MOSFET-ów może powodować duże skoki napięcia z powodu wysokich wartości di/dt. Na przykład przełączanie z 10A na 0A w ciągu 10 nanosekund generuje ogromną siłę elektromotoryczną, objawiającą się szumem i skokami.
Wniosek
W tym artykule omówiliśmy zachowanie cewek indukcyjnych w zasilaczach impulsowych DC-DC, trójkątny kształt prądu, kierunek siły elektromotorycznej (SEM) i wpływ wysokiego stosunku di/dt na skoki napięcia.
