Indukcyjność jest ważnym elementem zasilania prądem stałym/stałym. Przy wyborze cewki indukcyjnej należy wziąć pod uwagę wiele czynników, takich jak wartość indukcyjności, współczynnik DCR, rozmiar i prąd nasycenia. Charakterystyka nasycenia cewek indukcyjnych jest często źle rozumiana i powoduje problemy. W niniejszym artykule omówiono, w jaki sposób indukcyjność osiąga stan nasycenia, jak nasycenie wpływa na obwód oraz metodę wykrywania nasycenia indukcyjności.
Nasycenie indukcyjności powoduje
Najpierw intuicyjnie zrozum, czym jest nasycenie indukcyjne, jak pokazano na rysunku 1:
Rysunek 1
Wiemy, że gdy przez cewkę przedstawioną na rysunku 1 przepływa prąd, cewka wytwarza pole magnetyczne;
Rdzeń magnetyczny zostanie namagnesowany pod wpływem pola magnetycznego, a wewnętrzne domeny magnetyczne zaczną się powoli obracać.
Gdy rdzeń magnetyczny jest całkowicie namagnesowany, kierunek domeny magnetycznej jest taki sam jak kierunek pola magnetycznego, nawet jeśli zewnętrzne pole magnetyczne ulegnie zwiększeniu, rdzeń magnetyczny nie ma domeny magnetycznej, która mogłaby się obracać, a indukcyjność wchodzi w stan nasycony.
Z innego punktu widzenia, na krzywej namagnesowania pokazanej na rysunku 2, zależność między gęstością strumienia magnetycznego B a natężeniem pola magnetycznego H spełnia wzór po prawej stronie rysunku 2:
Gdy gęstość strumienia magnetycznego osiągnie Bm, gęstość strumienia magnetycznego nie będzie już znacząco wzrastać ze wzrostem natężenia pola magnetycznego, a indukcyjność osiągnie poziom nasycenia.
Ze związku pomiędzy indukcyjnością i przenikalnością µ możemy wywnioskować:
Gdy indukcyjność jest nasycona, mikrometry ulegają znacznemu zmniejszeniu, a ostatecznie indukcyjność ulega znacznemu zmniejszeniu, a zdolność do tłumienia prądu zostaje utracona.
Rysunek 2
Wskazówki dotyczące określania nasycenia indukcyjności
Czy istnieją jakieś wskazówki dotyczące oceny nasycenia indukcyjności w zastosowaniach praktycznych?
Można je podzielić na dwie główne kategorie: obliczenia teoretyczne i testy eksperymentalne.
☆Obliczenia teoretyczne można rozpocząć od ustalenia maksymalnej gęstości strumienia magnetycznego i maksymalnego prądu indukcyjnego.
☆Test eksperymentalny skupia się głównie na kształcie fali prądu indukcyjnego i kilku innych wstępnych metodach oceny.
Poniżej opisano te metody.
Oblicz gęstość strumienia magnetycznego
Metoda ta nadaje się do projektowania indukcyjności z wykorzystaniem rdzenia magnetycznego. Parametry rdzenia obejmują długość obwodu magnetycznego le, powierzchnię skuteczną Ae itd. Rodzaj rdzenia magnetycznego determinuje również odpowiedni gatunek materiału magnetycznego, a sam materiał magnetyczny zapewnia odpowiednie zabezpieczenie przed stratami magnetycznymi w rdzeniu magnetycznym oraz gęstością strumienia magnetycznego nasycenia.
Przy użyciu tych materiałów możemy obliczyć maksymalną gęstość strumienia magnetycznego zgodnie z rzeczywistą sytuacją projektową, w następujący sposób:
W praktyce obliczenia można uprościć, stosując ui zamiast ur. Na koniec, porównując je z gęstością strumienia nasycenia materiału magnetycznego, możemy ocenić, czy zaprojektowana indukcyjność niesie ze sobą ryzyko nasycenia.
Oblicz maksymalny prąd indukcyjny
Metoda ta nadaje się do projektowania obwodów bezpośrednio z wykorzystaniem gotowych cewek.
Różne topologie obwodów mają różne wzory na obliczenie prądu indukcyjnego.
Weźmy na przykład układ Buck MP2145. Można to obliczyć według następującego wzoru, a wynik obliczenia można porównać z wartością specyfikacji indukcyjności, aby określić, czy indukcyjność będzie nasycona.
Sądząc po przebiegu prądu indukcyjnego
Metoda ta jest również najpowszechniejszą i najpraktyczniejszą metodą stosowaną w praktyce inżynierskiej.
Biorąc za przykład układ MP2145, do symulacji użyto narzędzia symulacyjnego MPSmart. Z przebiegu symulacji wynika, że gdy cewka indukcyjna nie jest nasycona, prąd cewki jest falą trójkątną o określonym nachyleniu. Gdy cewka indukcyjna jest nasycona, przebieg prądu cewki będzie wyraźnie zniekształcony, co jest spowodowane spadkiem indukcyjności po nasyceniu.
W praktyce inżynierskiej możemy na tej podstawie zaobserwować, czy występuje zniekształcenie przebiegu prądu indukcyjnego i ocenić, czy indukcyjność jest nasycona.
Poniżej przedstawiono przebieg zmierzony na płytce demonstracyjnej MP2145. Widać wyraźne zniekształcenia po nasyceniu, co jest zgodne z wynikami symulacji.
Zmierz, czy indukcyjność jest nadmiernie nagrzana i posłuchaj, czy nie słychać nienormalnego gwizdania
W praktyce inżynierskiej często zdarzają się sytuacje, w których nie znamy dokładnego typu rdzenia, trudno jest określić wartość prądu nasycenia indukcyjności, a czasami testowanie prądu indukcyjności jest niepraktyczne. W tej sytuacji możemy również wstępnie określić, czy nastąpiło nasycenie, mierząc, czy indukcyjność ma nieprawidłowy wzrost temperatury lub słuchając, czy występuje nieprawidłowy pisk.
Przedstawiono tu kilka wskazówek dotyczących określania nasycenia indukcyjności. Mam nadzieję, że były pomocne.
Czas publikacji: 07-07-2023
