เคล็ดลับเล็กๆ น้อยๆ สำหรับการตัดสินความอิ่มตัวของเหนี่ยวนำ

ความเหนี่ยวนำเป็นส่วนสำคัญของแหล่งจ่ายไฟ DC/DC มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำ เช่น ค่าความเหนี่ยวนำ, DCR, ขนาด และกระแสอิ่มตัว คุณลักษณะความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำมักถูกเข้าใจผิดและก่อให้เกิดปัญหา บทความนี้จะอธิบายเกี่ยวกับวิธีที่ความเหนี่ยวนำถึงจุดอิ่มตัว ผลกระทบของความอิ่มตัวต่อวงจร และวิธีการตรวจจับความอิ่มตัวของความเหนี่ยวนำ 

ความอิ่มตัวของเหนี่ยวนำทำให้เกิด

ขั้นแรก ให้ทำความเข้าใจโดยสัญชาตญาณว่าความอิ่มตัวของเหนี่ยวนำคืออะไร ดังที่แสดงในรูปที่ 1:

รูปที่ 1

เราทราบว่าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดในรูปที่ 1 ขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็ก

แกนแม่เหล็กจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก และโดเมนแม่เหล็กภายในจะหมุนช้าๆ

เมื่อแกนแม่เหล็กถูกทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างสมบูรณ์ ทิศทางของโดเมนแม่เหล็กจะเหมือนกับสนามแม่เหล็กทั้งหมด แม้ว่าสนามแม่เหล็กภายนอกจะเพิ่มขึ้น แต่แกนแม่เหล็กจะไม่มีโดเมนแม่เหล็กที่สามารถหมุนได้ และเหนี่ยวนำจะเข้าสู่สถานะอิ่มตัว

จากมุมมองอื่น ในเส้นโค้งการสร้างแม่เหล็กที่แสดงในรูปที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก B และความแรงของสนามแม่เหล็ก H ตรงกับสูตรทางด้านขวาในรูปที่ 2:

เมื่อความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กถึง Bm ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กจะไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไปเมื่อความเข้มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และความเหนี่ยวนำจะถึงจุดอิ่มตัว

จากความสัมพันธ์ระหว่างความเหนี่ยวนำและความสามารถในการซึมผ่าน µ เราจะเห็นได้ว่า:

เมื่อความเหนี่ยวนำอิ่มตัว µm จะลดลงอย่างมาก และในที่สุดความเหนี่ยวนำจะลดลงอย่างมาก และความสามารถในการระงับกระแสไฟฟ้าก็จะสูญเสียไป

รูปที่ 2

เคล็ดลับในการกำหนดความเหนี่ยวนำอิ่มตัว

มีเคล็ดลับใดๆ สำหรับการตัดสินความอิ่มตัวของเหนี่ยวนำในการใช้งานจริงหรือไม่

สามารถสรุปได้เป็นสองประเภทหลัก: การคำนวณเชิงทฤษฎีและการทดสอบเชิงทดลอง

การคำนวณเชิงทฤษฎีสามารถเริ่มต้นจากความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดและกระแสเหนี่ยวนำสูงสุด

การทดสอบเชิงทดลองมุ่งเน้นไปที่รูปคลื่นกระแสเหนี่ยวนำและวิธีการตัดสินเบื้องต้นอื่นๆ เป็นหลัก

วิธีการเหล่านี้จะอธิบายไว้ด้านล่าง

คำนวณความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก

วิธีนี้เหมาะสำหรับการออกแบบความเหนี่ยวนำโดยใช้แกนแม่เหล็ก พารามิเตอร์แกนแม่เหล็กประกอบด้วย ความยาววงจรแม่เหล็ก le, พื้นที่สัมประสิทธิ์ Ae และอื่นๆ ชนิดของแกนแม่เหล็กยังเป็นตัวกำหนดเกรดของวัสดุแม่เหล็กที่เกี่ยวข้อง และวัสดุแม่เหล็กจะกำหนดเงื่อนไขที่สอดคล้องกันเกี่ยวกับการสูญเสียของแกนแม่เหล็กและความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัว

ด้วยวัสดุเหล่านี้ เราสามารถคำนวณความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดตามสถานการณ์การออกแบบจริงได้ดังนี้:

ในทางปฏิบัติ การคำนวณสามารถลดความซับซ้อนได้โดยใช้ ui แทน ur สุดท้าย เมื่อเปรียบเทียบกับความหนาแน่นฟลักซ์อิ่มตัวของวัสดุแม่เหล็ก เราสามารถตัดสินได้ว่าค่าเหนี่ยวนำที่ออกแบบไว้มีความเสี่ยงที่จะอิ่มตัวหรือไม่

คำนวณกระแสเหนี่ยวนำสูงสุด

วิธีนี้เหมาะสำหรับการออกแบบวงจรโดยตรงโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำที่เสร็จสมบูรณ์

โทโพโลยีวงจรที่แตกต่างกันมีสูตรที่แตกต่างกันในการคำนวณกระแสเหนี่ยวนำ

ใช้ชิป Buck MP2145 เป็นตัวอย่าง สามารถคำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้ และนำผลลัพธ์ที่คำนวณได้ไปเปรียบเทียบกับค่าสเปกเหนี่ยวนำ เพื่อพิจารณาว่าเหนี่ยวนำจะอิ่มตัวหรือไม่

ตัดสินโดยรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

วิธีนี้ยังถือเป็นวิธีที่นิยมใช้กันมากที่สุดและใช้งานได้จริงในงานวิศวกรรมอีกด้วย

ยกตัวอย่าง MP2145 เครื่องมือจำลอง MPSmart ถูกนำมาใช้ในการจำลอง จากรูปคลื่นจำลองจะเห็นได้ว่าเมื่อตัวเหนี่ยวนำไม่อิ่มตัว กระแสเหนี่ยวนำจะเป็นคลื่นสามเหลี่ยมที่มีความลาดเอียง เมื่อตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัว รูปคลื่นกระแสเหนี่ยวนำจะมีความเพี้ยนอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเกิดจากค่าความเหนี่ยวนำลดลงหลังจากอิ่มตัว

ในการปฏิบัติทางวิศวกรรม เราสามารถสังเกตได้ว่ารูปคลื่นกระแสเหนี่ยวนำมีการบิดเบือนหรือไม่ โดยพิจารณาจากสิ่งนี้ เพื่อตัดสินว่าเหนี่ยวนำนั้นอิ่มตัวหรือไม่

ด้านล่างนี้คือรูปคลื่นที่วัดได้บนบอร์ดเดโม MP2145 จะเห็นได้ว่ามีการบิดเบือนที่ชัดเจนหลังจากผ่านจุดอิ่มตัว ซึ่งสอดคล้องกับผลการจำลอง

วัดว่าตัวเหนี่ยวนำได้รับความร้อนผิดปกติหรือไม่ และฟังเสียงหวีดที่ผิดปกติ

ในการปฏิบัติงานทางวิศวกรรมนั้นมีหลายสถานการณ์ที่เราอาจไม่ทราบประเภทแกนกลางที่แน่นอน จึงเป็นการยากที่จะทราบขนาดกระแสอิ่มตัวเหนี่ยวนำ และบางครั้งการทดสอบกระแสเหนี่ยวนำอาจไม่สะดวก ในเวลานี้ เราสามารถระบุเบื้องต้นได้ว่าเกิดความอิ่มตัวหรือไม่ โดยการวัดว่าเหนี่ยวนำมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นผิดปกติหรือไม่ หรือฟังว่ามีเสียงกรีดร้องผิดปกติหรือไม่

มีเคล็ดลับเล็กๆ น้อยๆ สำหรับการหาค่าความเหนี่ยวนำอิ่มตัวมาฝากกันที่นี่ หวังว่าคงเป็นประโยชน์นะครับ