Beskrivning
I den här introduktionsartikeln ska vi prata om hur en induktor fungerar i en switchad nätaggregat. Om du är nybörjare på nätaggregatsdesign och undrar varför en diod verkar vara framåtspänd medan den ser ut som att den inte borde vara det, så beror det troligtvis på induktorn. Den här artikeln är för dig.
Förstå induktorer
Inledningsvis studerade vi induktorer på universitetet, både i växelströms- och likströmskretsar. I en växelströmskrets ger vi induktorn en sinusformad ingång och observerar förändringar i amplitud och fas. I en likströmskrets ger vi en enhetsstegsingång och studerar de resulterande förändringarna i ström eller spänning över induktorn.
Emellertid skiljer sig beteendet hos en induktor i en switchad strömförsörjning avsevärt från de enkla växelströms- eller likströmskretsar som studeras på universitetet.
Grundläggande induktorprinciper
En induktor försöker alltid bibehålla strömmen som flyter genom den. Den motverkar alla strömförändringar genom att skapa en mot-EMK. Om det till exempel flyter 1 A genom en induktor och en förändring försöks, genererar induktorn en mot-EMK för att motverka denna förändring. Denna princip kan liknas vid att knuffa en tung bil från stillastående – den motstår rörelse initialt, och när den väl är i rörelse motstår den att stanna.
Induktor i en likströmskrets
Betrakta en enkel likströmskrets med ett 1V batteri, en strömbrytare, ett 1-ohms motstånd och en induktor. Inledningsvis flyter ingen ström genom induktorn. När strömbrytaren är sluten appliceras 1V och strömmen börjar flyta. Induktorn motverkar förändringen från 0A till 1A genom att generera en mot-EMF lika med den pålagda spänningen (1V). Detta skapar en logaritmisk ökning av strömmen genom induktorn över tid.
En induktor i en switchande nätaggregat
I en strömförsörjning är resistansen nästan noll ohm, och strömmen följer inte samma logaritmiska kurva. Istället stiger den i en rak linje och bildar en triangulär strömvågform. Till- och frånkopplingen av strömmen resulterar i denna triangulära form, vilket förenklar analysen med hjälp av ekvationen för en rak linje (y = mx + c).
Exempel på kretsanalys
Låt oss betrakta en krets med en 1V-källa, en strömbrytare, ett 1-ohms motstånd, en induktor och ett ytterligare 2-ohms motstånd som styrs av en annan strömbrytare. När den första strömbrytaren är sluten ökar strömmen till 1A. Om denna strömbrytare öppnas och den andra strömbrytaren är sluten samtidigt, tvingar induktorn strömmen att flyta genom den nya vägen med 3 ohms motstånd, vilket skapar en mot-EMK på 3V för att bibehålla 1A-strömflödet.
Mekaniska kontra halvledarbrytare
Mekaniska brytare kan öppnas omedelbart, vilket skapar en hög mot-EMK som kan jonisera luft och orsaka gnistor. Det är därför en brytares växelspänning är högre än likspänningen. Halvledarbrytare tar dock en begränsad tid att öppna och stänga, vilket påverkar induktorns beteende. Standardformeln för induktorns mot-EMK är E = -L (di/dt), härledd från Faradays och Lenz lagar.
Induktorbeteende i praktiska strömförsörjningar
I praktiska nätaggregat kan snabb omkoppling av MOSFET-transistorer skapa stora spänningstoppar på grund av höga di/dt-värden. Till exempel genererar en omkoppling från 10 A till 0 A på 10 nanosekunder en massiv mot-EMK, som manifesterar sig som brus och spänningstoppar.
Slutsats
I den här artikeln diskuterade vi induktorers beteende i DC-DC switchade nätaggregat, den triangulära strömformen, riktningen på mot-EMF och effekten av hög di/dt på spänningstoppar.
