O elemento mais crucial de um conversor de modo comutado ou um SMPS é o indutor.
A energia é armazenada na forma de um campo magnético no material do núcleo do indutor durante o breve período ON (tem) comutado através do elemento de comutação conectado, como MOSFET ou um BJT.
Como o indutor funciona no SMPS
Durante este período ON, a tensão V, é aplicada através do indutor, L, e a corrente através do indutor muda com o tempo.
Essa mudança de corrente é ‘restringida’ pela indutância, portanto, encontramos o termo relacionado choke normalmente usado como um nome alternativo para um indutor SMPS, que é representado matematicamente pela fórmula:
di/dt=V/L
Quando o interruptor é desligado, a energia armazenada no indutor é liberada ou “recuada”.
O campo magnético desenvolvido através dos enrolamentos colapsa devido à ausência de fluxo de corrente ou tensão para manter o campo. O campo em colapso neste ponto corta bruscamente os enrolamentos, o que cria uma tensão reversa com uma polaridade oposta à tensão de comutação originalmente aplicada.
Essa tensão faz com que uma corrente se mova na mesma direção. Assim, ocorre uma troca de energia entre a entrada e a saída do enrolamento do indutor.
A implementação do indutor da maneira explicada acima pode ser testemunhada como uma aplicação primária da lei de Lenz. Por outro lado, a princípio parece que nenhuma energia poderia ser armazenada ‘infinitamente’ dentro de um indutor como um capacitor.
Imagine um indutor construído com fio supercondutor. Uma vez ‘carregada’ com um potencial de comutação, a energia armazenada poderia ser mantida para sempre na forma de um campo magnético.
No entanto, extrair rapidamente essa energia pode ser um problema completamente diferente. A quantidade de energia que pode ser armazenada dentro de um indutor é restrita pela densidade de fluxo de saturação, Bmax, do material do núcleo do indutor.
Este material é geralmente uma ferrite. No momento em que um indutor atinge uma saturação, o material do núcleo perde sua capacidade de ser magnetizado ainda mais.
Todos os dipolos magnéticos dentro do material se alinham, portanto, não há mais energia capaz de se acumular como um campo magnético dentro dele. A densidade de fluxo de saturação do material é geralmente afetada com mudanças na temperatura central, que pode cair 50% em 100°C do que seu valor original em 25°C
Para ser preciso, se o núcleo do indutor SMPS não for impedido de saturar, a corrente tende a ficar descontrolada devido ao efeito indutivo.
Isso agora se torna limitado apenas com a resistência dos enrolamentos e a quantidade de corrente que a fonte de alimentação é capaz de fornecer. A situação é geralmente controlada pelo tempo máximo de ativação do elemento de comutação que é adequadamente limitado para evitar a saturação do núcleo.
Cálculo da tensão e corrente do indutor
Para controlar e otimizar o ponto de saturação, a corrente e a tensão no indutor são calculadas adequadamente em todos os projetos SMPS. É a mudança atual com o tempo que se torna o fator chave em um projeto SMPS. Isso é dado por:
i = (Vin/L)tem
A fórmula acima considera uma resistência zero em série com o indutor. No entanto, praticamente, a resistência associada ao elemento de comutação, indutor, bem como a pista da placa de circuito impresso contribuirão para limitar a corrente máxima através do indutor.
Vamos supor que uma resistência seja um total de 1 ohm, o que parece bastante razoável.
Assim, a corrente através do indutor pode agora ser interpretada como:
e = (Vdentro /R)x (1 – e-temR/L)
Gráficos de saturação principal
Referindo-se aos gráficos mostrados abaixo, o primeiro gráfico mostra a diferença de corrente através de um indutor de 10 µH sem resistência em série e quando 1 Ohm é inserido em série.
A tensão utilizada é de 10 V. Caso não haja nenhuma resistência ‘limitante’ em série, pode fazer com que a corrente suba rápida e continuamente por um período de tempo infinito.
Claramente, isso pode não ser viável, mas o relatório enfatiza que a corrente em um indutor pode atingir rapidamente magnitudes substanciais e potencialmente perigosas. Esta fórmula é válida apenas enquanto o indutor permanecer abaixo do ponto de saturação.
Assim que o núcleo do indutor atinge a saturação, a concentração indutiva é incapaz de otimizar o aumento da corrente. Portanto, a corrente sobe muito rápido, o que está simplesmente além da faixa de previsão da equação. Durante a saturação, a corrente fica restrita a um valor normalmente estabelecido pela resistência em série e pela tensão aplicada.
No caso de indutores menores, os aumentos de corrente através deles são muito rápidos, mas podem reter níveis significativos de energia dentro de um prazo estipulado. Ao contrário, valores maiores de indutores podem apresentar um aumento de corrente lento, mas estes são incapazes de reter altos níveis de energia dentro do mesmo tempo estipulado.
Este efeito pode ser observado no segundo e terceiro gráficos, o primeiro demonstrando o aumento da corrente em indutores de 10 µH, 100 µH e 1 mH quando uma fonte de 10V é utilizada.
O gráfico 3 indica a energia armazenada ao longo do tempo para indutores com os mesmos valores.
No quarto gráfico podemos ver o aumento da corrente através dos mesmos indutores, aplicando uma resistência de 10 V embora agora uma resistência em série de 1 Ohm seja inserida em série com o indutor.
O quinto gráfico demonstra a energia armazenada para os mesmos indutores.
Aqui, é aparente que esta corrente através do indutor de 10 µH sobe rapidamente para o valor máximo de 10 A em aproximadamente 50 ms. No entanto, como resultado do resistor de 1 ohm, ele é capaz de reter apenas cerca de 500 milijoules.
Dito isto, a corrente através de indutores de 100 µH e 1 mH aumenta e a energia armazenada tende a ser razoavelmente não afetada com a resistência em série ao longo do mesmo período de tempo.
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