Peran Induktor Coil di SMP

Elemen terpenting dari konverter mode sakelar atau SMP adalah induktor.

Energi disimpan dalam bentuk medan magnet di bahan inti induktor selama periode ON singkat (t_di) diaktifkan melalui elemen switching yang terhubung seperti MOSFET atau BJT.

Bagaimana Induktor Bekerja di SMP

Selama tegangan periode ON ini, V, diterapkan melintasi induktor, L, dan arus melalui induktor berubah seiring waktu.

Perubahan saat ini 'dibatasi' oleh induktansi, oleh karena itu kami menemukan istilah terkait choke biasanya digunakan sebagai nama alternatif untuk induktor SMPS, yang secara matematis direpresentasikan melalui rumus:

di / dt = V / L.

Saat sakelar dimatikan, energi yang disimpan di induktor dilepaskan atau 'ditendang kembali'.

Medan magnet yang berkembang melintasi belitan runtuh karena tidak adanya aliran arus atau tegangan untuk menahan medan. Bidang yang runtuh pada titik ini secara tajam 'memotong' belitan, yang membangun tegangan balik yang memiliki polaritas berlawanan dengan tegangan switching yang diterapkan semula.

Tegangan ini menyebabkan arus bergerak ke arah yang sama. Dengan demikian, pertukaran energi terjadi antara input dan output belitan induktor.

Menerapkan induktor dengan cara yang dijelaskan di atas dapat disaksikan sebagai aplikasi utama hukum Lenz. Di sisi lain, pada awalnya tampaknya tidak ada energi yang dapat disimpan 'tanpa batas' di dalam induktor seperti halnya kapasitor.

Bayangkan induktor dibangun menggunakan kawat superkonduktor. Setelah 'diisi' dengan potensi sakelar, energi yang disimpan mungkin dapat disimpan selamanya dalam bentuk medan magnet.

Namun, mengekstraksi energi ini dengan cepat bisa menjadi masalah yang sama sekali berbeda. Berapa banyak energi yang dapat disimpan dalam induktor dibatasi oleh kerapatan fluks saturasi, Bmax, dari bahan inti induktor.

Bahan ini biasanya berupa ferit. Saat induktor mengalami saturasi, material inti kehilangan kemampuannya untuk mendapatkan magnet lebih jauh.

Semua dipol magnet di dalam material menjadi sejajar, sehingga tidak ada lagi energi yang dapat terakumulasi sebagai medan magnet di dalamnya. Kepadatan fluks saturasi material umumnya dipengaruhi oleh perubahan suhu inti, yang dapat turun 50% pada 100 ° C dari nilai aslinya pada 25 ° C

Tepatnya, jika inti induktor SMPS tidak dicegah dari kejenuhan, arus yang melalui cenderung menjadi tidak terkendali karena efek induktif.

Ini sekarang hanya menjadi terbatas dengan hambatan belitan dan jumlah arus yang dapat disediakan oleh sumber pasokan. Situasi ini umumnya dikendalikan oleh waktu maksimum dari elemen switching yang dibatasi secara tepat untuk mencegah kejenuhan inti.

Menghitung Tegangan dan Arus Induktor

Untuk mengontrol dan mengoptimalkan titik jenuh, arus dan tegangan pada induktor dihitung dengan tepat di semua desain SMP. Ini adalah perubahan saat ini dengan waktu yang menjadi faktor kunci dalam desain SMP. Ini diberikan oleh:

i = (Vin / L) t_di

Rumus di atas menganggap resistansi nol secara seri dengan induktor. Namun, secara praktis, resistansi yang terkait dengan elemen switching, induktor, serta jalur PCB semuanya akan berkontribusi untuk membatasi arus maksimum melalui induktor.

Mari kita asumsikan resistansi ini menjadi total 1 ohm, yang tampaknya cukup masuk akal.

Dengan demikian Arus melalui induktor sekarang dapat diartikan sebagai:

i = (V_di/ R) x (1 - e^{-t_diR / L})

Grafik Saturasi Inti

Mengacu pada grafik yang ditunjukkan di bawah grafik pertama menunjukkan perbedaan arus melalui induktor 10 µH tanpa hambatan seri, dan ketika 1 Ohm dimasukkan secara seri.

Tegangan yang digunakan adalah 10 V. Jika tidak ada resistansi 'pembatas' seri, dapat menyebabkan arus melonjak dengan cepat dan terus menerus selama jangka waktu yang tak terbatas.

Jelas, ini mungkin tidak layak, namun laporan tersebut menekankan bahwa arus dalam induktor dapat dengan cepat mencapai besaran yang substansial dan berpotensi berbahaya. Rumus ini hanya berlaku selama induktor tetap di bawah titik jenuhnya.

Segera setelah inti induktor mencapai kejenuhan, konsentrasi induktif tidak dapat mengoptimalkan kenaikan arus. Oleh karena itu, arus naik sangat cepat yang berada di luar kisaran prediksi persamaan. Selama saturasi, arus dibatasi pada nilai yang biasanya ditetapkan oleh resistansi seri dan tegangan yang diberikan.

Dalam kasus induktor yang lebih kecil, peningkatan arus yang melaluinya sangat cepat, tetapi mereka dapat mempertahankan tingkat energi yang signifikan dalam jangka waktu yang ditentukan. Sebaliknya, nilai induktor yang lebih besar dapat menunjukkan kenaikan arus yang lambat, tetapi ini tidak dapat mempertahankan tingkat energi yang tinggi dalam waktu yang ditentukan.

Efek ini dapat disaksikan pada grafik kedua dan ketiga, yang pertama menunjukkan kenaikan arus dalam induktor 10 µH, 100 µH, dan 1 mH ketika suplai 10V digunakan.

Grafik 3 menunjukkan energi yang disimpan dari waktu ke waktu untuk induktor dengan nilai yang sama.

Pada grafik keempat kita dapat melihat kenaikan arus melalui induktor yang sama, dengan menerapkan 10 V meskipun sekarang resistansi seri 1 Ohm dimasukkan seri dengan induktor.

Grafik kelima menunjukkan energi yang disimpan untuk induktor yang sama.

Di sini, terlihat jelas bahwa arus ini melalui induktor 10 µH melonjak dengan cepat menuju nilai maksimum 10 A dalam waktu sekitar 50 ms. Namun sebagai hasil dari resistor 1 ohm, ia hanya mampu menahan mendekati 500 milijoule.

Karena itu, arus yang melalui induktor 100 µH dan 1 mH naik dan energi yang disimpan cenderung tidak terpengaruh dengan resistansi seri dalam jumlah waktu yang sama.