دور ملف الحث في SMPS

العنصر الأكثر أهمية في محول الوضع المحول أو SMPS هو الحث.

يتم تخزين الطاقة في شكل مجال مغناطيسي في المادة الأساسية للمحث خلال فترة التشغيل القصيرة (t_تشغيل) من خلال عنصر التحويل المتصل مثل MOSFET أو BJT.

كيف يعمل الحث في SMPS

خلال فترة التشغيل هذه ، يتم تطبيق الجهد V عبر المحرِّض L ويتغير التيار عبر المحرِّض بمرور الوقت.

هذا التغيير الحالي مقيد بواسطة الحث ، ومن ثم نجد المصطلح ذي الصلة الخانق يستخدم عادة كاسم بديل لمحث SMPS ، والذي يتم تمثيله رياضيًا من خلال الصيغة:

دي / دت = V / L

عند إيقاف تشغيل المفتاح ، يتم تحرير الطاقة المخزنة في المحرِّض أو 'إعادتها'.

ينهار المجال المغناطيسي المتطور عبر اللفات بسبب غياب التدفق الحالي أو الجهد لعقد المجال. المجال المنهار عند هذه النقطة 'يقطع' بشكل حاد الملفات ، مما يبني جهدًا عكسيًا له قطبية معاكسة لجهد التحويل المطبق في الأصل.

يتسبب هذا الجهد في تحرك التيار في نفس الاتجاه. وبالتالي يحدث تبادل للطاقة بين المدخلات والمخرجات لفائف المحرِّض.

يمكن ملاحظة تنفيذ المحرِّض بالطريقة الموضحة أعلاه كتطبيق أساسي لقانون لينز. من ناحية أخرى ، في البداية يبدو أنه لا يمكن تخزين أي طاقة 'بلا حدود' داخل مغوٍ مثل المكثف تمامًا.

تخيل محثًا مبنيًا باستخدام سلك فائق التوصيل. بمجرد أن يتم شحن الطاقة المخزنة بإمكانية التبديل ، يمكن الاحتفاظ بالطاقة المخزنة إلى الأبد في شكل مجال مغناطيسي.

ومع ذلك ، يمكن أن يكون استخراج هذه الطاقة بسرعة مشكلة مختلفة تمامًا. مقدار الطاقة التي يمكن تخزينها داخل محث مقيد بكثافة تدفق التشبع ، Bmax ، للمادة الأساسية للمحث.

هذه المادة عادة ما تكون من الفريت. في اللحظة التي يتشبع فيها المحرِّض ، تفقد المادة الأساسية قدرتها على أن تصبح ممغنطة أكثر.

تتم محاذاة جميع ثنائيات الأقطاب المغناطيسية داخل المادة ، وبالتالي لا يمكن أن تتراكم أي طاقة أخرى كمجال مغناطيسي بداخلها. تتأثر كثافة تدفق التشبع للمادة عمومًا بالتغيرات في درجة الحرارة الأساسية ، والتي قد تنخفض بنسبة 50٪ في 100 درجة مئوية عن قيمتها الأصلية عند 25 درجة مئوية

على وجه الدقة ، إذا لم يتم منع نواة محث SMPS من التشبع ، فإن التيار من خلال يميل إلى أن يصبح غير متحكم فيه بسبب التأثير الاستقرائي.

يصبح هذا الآن محدودًا فقط بمقاومة اللفات وكمية التيار التي يمكن أن يوفرها مصدر المصدر. يتم التحكم في الوضع بشكل عام من خلال الحد الأقصى في الوقت المحدد لعنصر التبديل والذي يكون محدودًا بشكل مناسب لمنع تشبع النواة.

حساب جهد المحرِّض والتيار

للتحكم في نقطة التشبع وتحسينها ، يتم حساب التيار والجهد عبر المحرِّض بشكل مناسب في جميع تصميمات SMPS. إنه التغيير الحالي مع الوقت الذي يصبح العامل الرئيسي في تصميم SMPS. يتم إعطاء هذا بواسطة:

أنا = (فين / لتر) ر_تشغيل

تعتبر الصيغة أعلاه مقاومة صفرية متسلسلة مع المحرِّض. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، فإن المقاومة المرتبطة بعنصر التبديل ، والمحث ، وكذلك مسار ثنائي الفينيل متعدد الكلور ستساهم جميعها في الحد من الحد الأقصى للتيار عبر المحرِّض.

لنفترض أن مقاومة هذا إجمالي 1 أوم ، والتي تبدو معقولة جدًا.

وبالتالي ، يمكن الآن تفسير التيار عبر المحرِّض على النحو التالي:

أنا = (الخامس_في/ ص) × (1 - هـ^{-t_تشغيلص / ل})

مخططات التشبع الأساسية

بالإشارة إلى الرسوم البيانية الموضحة أدناه ، يوضح الرسم البياني الأول الفرق في التيار من خلال مغو 10 µH بدون مقاومة متسلسلة ، وعندما يتم إدخال 1 أوم في السلسلة.

الجهد المستخدم هو 10 فولت في حالة عدم وجود أي مقاومة 'محدودة' ، يمكن أن يتسبب في زيادة التيار بسرعة وبشكل مستمر على مدى إطار زمني غير محدود.

من الواضح أن هذا قد لا يكون ممكنا ، ولكن التقرير يؤكد أن التيار في مغو يمكن أن يصل بسرعة إلى مقادير كبيرة وربما خطيرة. هذه الصيغة صالحة فقط طالما أن المحرِّض يظل أقل من نقطة التشبع.

بمجرد أن يصل قلب المحرِّض إلى التشبع ، يصبح التركيز الحثي غير قادر على تحسين الارتفاع الحالي. لذلك فإن التيار يرتفع بسرعة كبيرة وهو ببساطة خارج نطاق التنبؤ للمعادلة. أثناء التشبع ، يتم تقييد التيار عند قيمة تحددها عادة مقاومة السلسلة والجهد المطبق.

في حالة المحاثات الأصغر ، تكون الزيادات في التيار من خلالها سريعة حقًا ، لكن يمكنها الاحتفاظ بمستويات كبيرة من الطاقة في إطار زمني محدد. على العكس من ذلك ، قد تُظهر قيم المحرِّض الأكبر ارتفاعًا بطيئًا للتيار ، لكن هذه القيم غير قادرة على الاحتفاظ بمستويات عالية من الطاقة في نفس الوقت المحدد.

يمكن ملاحظة هذا التأثير في الرسمين البيانيين الثاني والثالث ، حيث يوضح السابق ارتفاع التيار في محاثات 10 µH و 100 H و 1 mH عند استخدام مصدر 10V.

يشير الرسم البياني 3 إلى الطاقة المخزنة بمرور الوقت للمحثات بنفس القيم.

في الرسم البياني الرابع يمكننا أن نرى الارتفاع الحالي من خلال نفس المحاثات ، من خلال تطبيق 10 فولت على الرغم من أن المقاومة المتسلسلة الآن 1 أوم يتم إدخالها في سلسلة مع المحرِّض.

يوضح الرسم البياني الخامس الطاقة المخزنة لنفس المحرِّضات.

هنا ، من الواضح أن هذا التيار من خلال محث 10 µH يرتفع بسرعة نحو القيمة القصوى 10 A في حوالي 50 مللي ثانية. ومع ذلك ، نتيجة لمقاومة 1 أوم ، فإنها قادرة على الاحتفاظ بما يقرب من 500 مللي جول فقط.

بعد قولي هذا ، يرتفع التيار من خلال المحرِّضات 100 µH و 1 mH وتميل الطاقة المخزنة إلى أن تكون غير متأثرة بشكل معقول بمقاومة السلسلة خلال نفس الفترة الزمنية.