Giới thiệu
Trong bài viết giới thiệu này, chúng ta sẽ nói về hoạt động của cuộn cảm trong nguồn điện chế độ chuyển mạch. Nếu bạn mới làm quen với thiết kế nguồn điện và đang thắc mắc tại sao diode có vẻ như bị phân cực thuận trong khi trông có vẻ như không phải vậy, thì rất có thể là do cuộn cảm. Bài viết này dành cho bạn.
Hiểu về cuộn cảm
Ban đầu, chúng tôi nghiên cứu về cuộn cảm tại trường đại học, cả trong mạch AC và DC. Trong mạch AC, chúng tôi cung cấp cho cuộn cảm một đầu vào hình sin và quan sát những thay đổi về biên độ và pha. Trong mạch DC, chúng tôi cung cấp đầu vào bước đơn vị và nghiên cứu những thay đổi kết quả về dòng điện hoặc điện áp trên cuộn cảm.
Tuy nhiên, hành vi của cuộn cảm trong nguồn điện chế độ chuyển mạch khác đáng kể so với các mạch AC hoặc DC đơn giản được nghiên cứu ở trường đại học.
Nguyên lý cơ bản của cuộn cảm
Một cuộn cảm luôn cố gắng duy trì dòng điện chạy qua nó. Nó chống lại bất kỳ sự thay đổi nào trong dòng điện bằng cách tạo ra một lực điện động ngược. Ví dụ, nếu có 1A chạy qua một cuộn cảm và một sự thay đổi được cố gắng, cuộn cảm tạo ra một lực điện động ngược để chống lại sự thay đổi này. Nguyên lý này có thể được ví như đẩy một chiếc xe hơi nặng từ trạng thái nghỉ—nó chống lại chuyển động ban đầu, và một khi đã chuyển động, nó chống lại việc dừng lại.
Cuộn cảm trong mạch điện một chiều
Hãy xem xét một mạch DC đơn giản với pin 1V, một công tắc, một điện trở 1 ohm và một cuộn cảm. Ban đầu, không có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Khi công tắc đóng, 1V được áp dụng và dòng điện bắt đầu chạy qua. Cuộn cảm chống lại sự thay đổi từ 0A sang 1A bằng cách tạo ra một suất điện động ngược bằng với điện áp được áp dụng (1V). Điều này tạo ra sự gia tăng logarit của dòng điện qua cuộn cảm theo thời gian.
Một cuộn cảm trong một nguồn điện chuyển mạch
Trong nguồn điện, điện trở gần bằng không ohm, và dòng điện không theo cùng một đường cong logarit. Thay vào đó, nó tăng theo đường thẳng, tạo thành dạng sóng dòng điện hình tam giác. Việc bật và tắt dòng điện dẫn đến hình tam giác này, giúp đơn giản hóa phép phân tích bằng cách sử dụng phương trình cho đường thẳng (y = mx + c).
Ví dụ phân tích mạch
Hãy xem xét một mạch điện có nguồn 1V, một công tắc, một điện trở 1 ohm, một cuộn cảm và một điện trở 2 ohm bổ sung được điều khiển bởi một công tắc khác. Khi công tắc ban đầu đóng, dòng điện tăng lên 1A. Nếu công tắc này mở và công tắc thứ hai đóng đồng thời, cuộn cảm sẽ buộc dòng điện chạy qua đường dẫn mới với điện trở 3 ohm, tạo ra suất điện động ngược 3V để duy trì dòng điện 1A.
Công tắc cơ học so với công tắc bán dẫn
Công tắc cơ học có thể mở ngay lập tức, tạo ra một suất điện động ngược cao có thể ion hóa không khí và gây ra tia lửa. Đây là lý do tại sao định mức điện áp AC của công tắc cao hơn định mức DC. Tuy nhiên, công tắc bán dẫn mất một khoảng thời gian hữu hạn để mở và đóng, ảnh hưởng đến hành vi của cuộn cảm. Phương trình chuẩn cho suất điện động ngược của cuộn cảm là E = -L (di/dt), được suy ra từ định luật Faraday và Lenz.
Hành vi của cuộn cảm trong nguồn điện thực tế
Trong các nguồn điện thực tế, việc chuyển mạch nhanh của MOSFET có thể tạo ra các xung điện áp lớn do giá trị di/dt cao. Ví dụ, việc chuyển mạch từ 10A sang 0A trong 10 nano giây tạo ra một EMF ngược lớn, biểu hiện dưới dạng nhiễu và xung điện áp.
Kết luận
Trong bài viết này, chúng tôi thảo luận về hành vi của cuộn cảm trong nguồn điện chuyển mạch DC-DC, dạng dòng điện tam giác, hướng của lực điện động ngược và tác động của di/dt cao lên các xung điện áp.
