Введение
В этой вводной статье мы поговорим о действии индуктора в импульсном источнике питания. Если вы новичок в проектировании источников питания и вам интересно, почему диод кажется смещенным в прямом направлении, хотя на самом деле он не должен быть таким, то, по всей вероятности, это из-за индуктора. Эта статья для вас.
Понимание индукторов
Первоначально мы изучали индукторы в университете, как в цепях переменного, так и постоянного тока. В цепи переменного тока мы даем индуктору синусоидальный вход и наблюдаем изменения амплитуды и фазы. В цепи постоянного тока мы даем единичный шаг на входе и изучаем результирующие изменения тока или напряжения на индукторе.
Однако поведение индуктора в импульсном источнике питания существенно отличается от простых цепей переменного или постоянного тока, изучаемых в университете.
Основные принципы индуктора
Индуктор всегда пытается поддерживать ток, протекающий через него. Он противодействует любому изменению тока, создавая обратную ЭДС. Например, если через индуктор протекает 1 А и предпринимается попытка изменения, индуктор генерирует обратную ЭДС, чтобы противостоять этому изменению. Этот принцип можно сравнить с толканием тяжелого автомобиля из состояния покоя — он сначала сопротивляется движению, а когда он в движении, он сопротивляется остановке.
Индуктор в цепи постоянного тока
Рассмотрим простую цепь постоянного тока с батареей 1 В, переключателем, резистором 1 Ом и индуктором. Изначально ток через индуктор не течет. Когда переключатель замкнут, подается 1 В, и ток начинает течь. Индуктор противодействует изменению от 0 А до 1 А, создавая обратную ЭДС, равную приложенному напряжению (1 В). Это создает логарифмическое увеличение тока через индуктор с течением времени.
Индуктор в импульсном источнике питания
В источнике питания сопротивление близко к нулю Ом, и ток не следует той же логарифмической кривой. Вместо этого он растет по прямой линии, образуя треугольную форму волны тока. Включение и выключение тока приводит к этой треугольной форме, что упрощает анализ с использованием уравнения для прямой линии (y = mx + c).
Пример анализа схемы
Рассмотрим схему с источником 1 В, переключателем, резистором 1 Ом, индуктором и дополнительным резистором 2 Ом, управляемым другим переключателем. Когда первый переключатель замыкается, ток возрастает до 1 А. Если этот переключатель разомкнуть и одновременно замкнуть второй переключатель, индуктор заставит ток течь по новому пути с сопротивлением 3 Ом, создавая обратную ЭДС 3 В для поддержания тока 1 А.
Механические и полупроводниковые переключатели
Механические переключатели могут мгновенно открываться, создавая высокую обратную ЭДС, которая может ионизировать воздух и вызывать искры. Вот почему номинальное напряжение переменного тока переключателя выше, чем номинальное напряжение постоянного тока. Однако полупроводниковым переключателям требуется конечное время для открытия и закрытия, что влияет на поведение индуктора. Стандартное уравнение для обратной ЭДС индуктора — E = -L (di/dt), выведенное из законов Фарадея и Ленца.
Поведение индуктора в практических источниках питания
В практических источниках питания быстрое переключение МОП-транзисторов может создавать большие скачки напряжения из-за высоких значений di/dt. Например, переключение с 10 А на 0 А за 10 наносекунд генерирует огромную обратную ЭДС, проявляющуюся в виде шума и скачков.
Заключение
В этой статье мы обсудили поведение индукторов в импульсных источниках питания постоянного тока, треугольную форму тока, направление обратной ЭДС и влияние высокого di/dt на скачки напряжения.
