Улога индукторске завојнице у СМПС

Најважнији елемент преклопног модула претварача или СМПС је индуктор.

Енергија се складишти у облику магнетног поља у материјалу језгра индуктора током кратког периода укључења (т_на) пребачен преко повезаног преклопног елемента као што је МОСФЕТ или БЈТ.

Како индуктор ради у СМПС

Током овог периода укључења напон, В, се примењује на индуктор, Л, а струја кроз индуктор се мења с временом.

Ова тренутна промена је 'ограничена' индуктивношћу, па стога проналазимо сродни појам пригушница који се обично користи као алтернативни назив СМПС индуктора, што је математички представљено формулом:

ди / дт = В / Л.

Када се прекидач искључи, енергија ускладиштена у индуктору се ослобађа или „враћа назад“.

Магнетно поље развијено преко намотаја се руши услед одсуства струјног тока или напона који би задржавали поље. Поље урушавања у овом тренутку нагло 'пресеца' намотаје, чиме се ствара обрнути напон супротне поларности у односу на првобитно примењени прекидачки напон.

Овај напон доводи до померања струје у истом смеру. Између улаза и излаза намотаја индуктора долази до размене енергије.

Примена индуктора на горе објашњени начин може се сведочити као примарна примена Ленцовог закона. С друге стране, у почетку се чини да ниједна енергија не може бити похрањена „бесконачно“ унутар индуктора баш као кондензатор.

Замислите индуктор изграђен помоћу суправодљиве жице. Једном када се „напуни“ преклопним потенцијалом, ускладиштена енергија би се могла заувек задржати у облику магнетног поља.

Међутим, брзо издвајање ове енергије може бити сасвим друго питање. Колика је енергија која би могла да се стави у индуктор, ограничена је густином флукса засићења, Бмак, материјала језгра индуктора.

Овај материјал је обично ферит. У тренутку када индуктор наиђе на засићење, материјал језгра губи способност да се даље магнетише.

Сви магнетни диполи у материјалу се поравнају, па више нема енергије која се може акумулирати у њему као магнетно поље. На густину флукса засићења материјала углавном утичу промене температуре језгра, које могу пасти за 50% на 100 ° Ц од своје првобитне вредности на 25 ° Ц

Прецизније, ако се језгро индуктора СМПС не спречи да се засити, струја кроз тежи постаје неконтролисана због индуктивног ефекта.

Ово сада постаје ограничено само отпором намотаја и количином струје коју извор напајања може да пружи. Ситуацијом се генерално контролише максимално време укључивања преклопног елемента које је одговарајуће ограничено да би се спречило засићење језгра.

Израчунавање напона и струје индуктора

Да би се контролисала и оптимизовала тачка засићења, струја и напон на индуктору се на тај начин одговарајуће израчунавају у свим СМПС изведбама. Тренутна промена с временом постаје кључни фактор у дизајну СМПС-а. Ово даје:

и = (Вин / Л) т_на

Горња формула узима у обзир нулти отпор у серији са пригушницом. Међутим, практично ће отпор повезан са преклопним елементом, пригушницом, као и стаза ПЦБ-а, допринети ограничавању максималне струје кроз пригушницу.

Претпоставимо да отпор износи укупно 1 охм, што изгледа сасвим разумно.

Тако се струја кроз индуктор сада може тумачити као:

и = (В._у/ Р) к (1 - е^{-т_наР / Л})

Основни графикони засићења

Позивање на графиконе приказане испод првог графикона показује разлику у струји кроз индуктор од 10 µХ без серијског отпора и када је 1 Охм уметнут у серију.

Употребљени напон је 10 В. У случају да не постоји ниједан 'ограничавајући' отпор, струја може брзо и непрекидно да расте током бесконачног временског оквира.

Јасно је да ово можда није изводљиво, али извештај наглашава да би струја у индуктору могла брзо да достигне значајне и потенцијално опасне величине. Ова формула важи само док индуктор остаје испод тачке засићења.

Чим језгро индуктора достигне засићеност, индуктивна концентрација није у стању да оптимизује пораст струје. Стога струја расте врло брзо што је једноставно изван домета предвиђања једначине. Током засићења, струја се ограничава на вредност која се нормално утврђује серијским отпором и примењеним напоном.

У случају мањих пригушница, пораст струје кроз њих је заиста брз, али они могу задржати значајне нивое енергије у предвиђеном временском оквиру. Супротно томе, веће вредности индуктора могу показивати спори пораст струје, али оне нису у стању да задрже висок ниво енергије у истом предвиђеном времену.

О овом ефекту се може сведочити на другом и трећем графикону, при чему први показује пораст струје у индукторима од 10 µХ, 100 µХ и 1 мХ када се користи напајање од 10В.

Графикон 3 приказује енергију која се током времена складишти за пригушнице са истим вредностима.

На четвртом графикону можемо видети пораст струје кроз исте пригушнице, применом 10 В, иако је сада серијски отпор од 1 Охм уметнут у серију са пригушницом.

Пети графикон приказује енергију ускладиштену за исте индукторе.

Овде је очигледно да се ова струја кроз индуктор од 10 µХ брзо уздиже ка максималној вредности од 10 А за отприлике 50 мс. Међутим, као резултат отпора од 1 ома, он може задржати само близу 500 милиџула.

Имајући то у виду, струја кроз индукторе од 100 µХ и 1 мХ расте и акумулирана енергија обично не утиче на серијски отпор током истог времена.