स्विचिंग पावर सप्लाइ के लिए सही इंडक्टर कैसे चुनें

एक इंडक्टर परिपथों में सामान्य ऊर्जा-स्टोरिंग पैसिव कम्पोनेंट है, जो स्विचिंग पावर सप्लाइज़ के डिज़ाइन में फ़िल्टरिंग, बूस्टिंग और बकिंग जैसी भूमिकाएं निभाता है। योजना डिज़ाइन की प्रारंभिक चरण में, इंजीनियरों को उपयुक्त इंडक्टेंस मान चुनने के अलावा इंडक्टर द्वारा सहन की जाने वाली धारा, कुंडली की DCR, यांत्रिक आयाम, हानि और अन्य बातों पर विचार करना पड़ता है। यदि वे इंडक्टर की कार्यक्षमताओं से पर्याप्त परिचित नहीं होते, तो वे डिज़ाइन में अक्सर पासिव रहते हैं और बहुत समय खर्च करते हैं।

इंडक्टर की कार्यक्षमताओं को समझना

एक इंडक्टर LC फ़िल्टर परिपथ में 'L' है, जो स्विचिंग पावर सप्लाई के आउटपुट पर होता है। बक रूपांतरण में, इंडक्टर का एक सिरा DC आउटपुट वोल्टेज से जुड़ा होता है, जबकि दूसरा सिरा स्विचिंग आवृत्ति के अनुसार इनपुट वोल्टेज और GND के बीच स्विच होता है।

स्थिति 1 में, इंडक्टर MOSFET के माध्यम से इनपुट वोल्टेज से जुड़ा होता है। स्थिति 2 में, इंडक्टर GND से जुड़ा होता है।
इस प्रकार के कंट्रोलर का उपयोग करने से, इंडक्टर को ग्राउंड करने के लिए दो तरीके हैं: डायोड के माध्यम से या MOSFET के माध्यम से। यदि पहला तरीका अपनाया जाता है, तो कनवर्टर को असिंक्रोनस मोड कहा जाता है। बाद की स्थिति में, कनवर्टर को सिंक्रोनस मोड कहा जाता है।

स्थिति 1 में, इंडक्टर का एक सिरा इनपुट वोल्टेज से जुड़ा होता है, और दूसरा सिरा आउटपुट वोल्टेज से। बक कनवर्टर के लिए, इनपुट वोल्टेज आउटपुट वोल्टेज से अधिक होना चाहिए, इसलिए इंडक्टर पर एक फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप बनता है।
स्थिति 2 में, इंडक्टर का वह सिरा जो पहले इनपुट वोल्टेज से जुड़ा हुआ होता है, वह ग्राउंड से जुड़ जाता है। बक कनवर्टर के लिए, आउटपुट वोल्टेज जरूरतन सकारात्मक टर्मिनल होता है, इसलिए इंडक्टर पर एक नकारात्मक वोल्टेज ड्रॉप बनता है।

इंडक्टर वोल्टेज कैलक्यूलेशन फॉर्मूला

V=L(dI/dt)। क्योंकि इनडक्टर में बहने वाला धारा तब बढ़ती है जब इनडक्टर वोल्टेज सकारात्मक होता है (स्थिति 1) और घटती है जब वोल्टेज नकारात्मक होता है (स्थिति 2), इनडक्टर धारा तरंगधर्म आकृति 2 में दिखाया गया है:

उपरोक्त आकृति से, हम देख सकते हैं कि इनडक्टर में अधिकतम धारा डीसी धारा प्लस स्विचिंग शिखर-शिखर धारा के आधे के बराबर है। उपरोक्त आकृति में रिपल धारा भी दिखाई गई है। ऊपर उल्लिखित सूत्र के अनुसार, शिखर धारा निम्न प्रकार से गणना की जा सकती है: जहाँ ton स्थिति 1 में समय है, T स्विचिंग अवधि है, और DC स्थिति 1 का ड्यूटी साइकिल है।

सिंक्रनस रूपांतरण परिपथ

ऐसिंक्रनस रूपांतरण परिपथ

Rs: विद्युत-संवेदनशील प्रतिरोध और इनडक्टर वाइंडिंग प्रतिरोध का संयुक्त प्रतिरोध। Vf: शॉट्की डायोड का अग्र वोल्टेज ड्रॉप। R: चालन मार्ग में कुल प्रतिरोध, जो R=Rs+Rm के रूप में गणना की जाती है, जहाँ MOSFET का ऑन-स्टेट प्रतिरोध है।

इंडक्टर कोर की अविभाज्यता

गणना के अनुसार इंडक्टर के शीर्ष धारा से, हमें पता चलता है कि जब इंडक्टर में धारा बढ़ती है, तो इसकी इंडक्टेंस घटने लगती है। यह कोर सामग्री के भौतिक गुणों द्वारा निर्धारित होती है। इंडक्टेंस की घटने की मात्रा महत्वपूर्ण है: यदि घटना बहुत तीव्र हो जाए, तो रूपांतरक सामान्य रूप से काम नहीं करेगा। ऐसी धारा के कारण जब इंडक्टर विफल हो जाता है, तो उसे सैचुरेशन धारा कहा जाता है, जो इंडक्टर का मूलभूत पैरामीटर है।
रूपांतरक परिपथों में शक्ति इंडक्टर की सैचुरेशन वक्र रेखा महत्वपूर्ण और ध्यान देने योग्य है। इस अवधारणा को समझने के लिए, आप L का DC धारा के साथ वास्तविक मापी गई वक्र रेखा देख सकते हैं।

जब धारा एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाती है, तो इंडक्टेंस तेजी से गिर जाती है—ऐसा व्यवहार सैचुरेशन कहलाता है। इसके बाद धारा में बढ़ोतरी पूरी तरह से इंडक्टर को विफल होने का कारण बन सकती है।
इस अवरूढ़ता विशेषता के साथ, हमें यह समझने में मदद मिलती है कि क्यों सभी परिवर्तक डीसी आउटपुट करंट के तहत प्रतिघटना मान का परिवर्तन विस्तार (△L ≤ 20% या 30%) निर्दिष्ट करते हैं, और क्यों प्रतिघटक की विवरण में Isat पैरामीटर शामिल है। चूँकि छड़ी बिजली में परिवर्तन प्रतिघटना पर बड़ा प्रभाव नहीं डालता है, इसलिए सभी अनुप्रयोगों में छड़ी बिजली को जितना संभव हो उतना कम करना चाहिए, क्योंकि यह आउटपुट वोल्टेज की छड़ी पर प्रभाव डालता है। इसलिए डीसी आउटपुट करंट के तहत प्रतिघटना कमी की डिग्री के बारे में हमेशा बड़ी चिंता रहती है, जबकि छड़ी बिजली के तहत प्रतिघटना को अक्सर विवरणों में नजरअंदाज कर दिया जाता है।

स्विचिंग पावर सप्लाइ के लिए उपयुक्त प्रतिघटक का चयन

इंडक्टर स्विचिंग पावर सप्लाइ में सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले घटक हैं। उनकी धारा और वोल्टेज के बीच फ़ेज़ अंतर के कारण, सैद्धांतिक रूप से, हानि शून्य होती है। इंडक्टर आम तौर पर ऊर्जा स्टोरidge घटक के रूप में काम करते हैं, जिनमें "आने वाले को रोकने और बाहर जाने वाले को बनाए रखने" की विशेषता होती है, और वे आम तौर पर कैपेसिटर के साथ इनपुट और आउटपुट फ़िल्टर सर्किट में विद्युत को स्मूथ करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
चुंबकीय घटक के रूप में, इन्डक्टरों को चुंबकीय सैटुरेशन की समस्या का सामना करना पड़ता है। कुछ अनुप्रयोग इन्डक्टर की सैटुरेशन को स्वीकारते हैं, कुछ निश्चित विद्युत् प्रवाह मान से शुरू होने वाली सैटुरेशन को अनुमति देते हैं, जबकि अन्य इसे कड़े प्रकार से प्रतिबंधित करते हैं, जिससे विशिष्ट परिपथों में भेद करने की आवश्यकता होती है। अधिकांश मामलों में, इन्डक्टर "रैखिक क्षेत्र" में काम करते हैं, जहाँ इन्डक्टेंस मान निरंतर रहता है और टर्मिनल वोल्टेज या विद्युत् प्रवाह के साथ नहीं बदलता। हालांकि, स्विचिंग पावर सप्लाइज में एक नगण्य समस्या होती है: इन्डक्टर की फिलिंग (वाइंडिंग) दो वितरित (या पैरासाइटिक) पैरामीटर्स पेश करती है। एक उन अपरिहार्य फिलिंग प्रतिरोध है, और दूसरा फिलिंग प्रक्रिया और सामग्री से संबंधित वितरित बाह्य धारिता है। कम आवृत्तियों पर बाह्य धारिता का प्रभाव नगण्य होता है, लेकिन जैसे-जैसे आवृत्ति बढ़ती है, उसका प्रभाव बढ़ता जाता है। जब आवृत्ति एक निश्चित मान से अधिक हो जाती है, तो इन्डक्टर को धारितागामी व्यवहार दिखाने लगता है। यदि बाह्य धारिता को एक एकल धारिता के रूप में समूहीकृत किया जाए, तो इन्डक्टर का तुल्य परिपथ एक निश्चित आवृत्ति के बाद उसके धारितागामी व्यवहार को दर्शाता है।

जब किसी सर्किट में इंडक्टर की ऑपरेशनल स्थिति का विश्लेषण किया जाता है, तो निम्नलिखित विशेषताओं को ध्यान में रखा जाना चाहिए:
1. जब एक विद्युत धारा I एक इंडक्टर L के माध्यम से प्रवाहित होती है, तो इंडक्टर में संचित ऊर्जा होती है: E=0.5 × L× I2(1)
2. स्विचिंग साइकिल में, इंडक्टर धारा के परिवर्तन (रिपल धारा शीर्ष-से-शीर्ष मान) और इंडक्टर पर वोल्टेज के बीच संबंध यह होता है:
V=(L × di)/dt(2), यह दर्शाता है कि रिपल धारा का मान इंडक्टेंस मान पर निर्भर करता है।
3. इंडक्टर में आवेशन और डिस्चार्जिंग प्रक्रियाएँ भी होती हैं। इंडक्टर की धारा उस पर लगे वोल्टेज (वोल्ट-सेकंड) के समाकलन के अनुपात में होती है। जब तक इंडक्टर पर वोल्टेज बदलता है, धारा का परिवर्तन दर di/dt भी बदलता है: एक आगे का वोल्टेज धारा को रैखिक रूप से बढ़ाता है, जबकि विपरीत वोल्टेज इसे रैखिक रूप से घटाता है।

बक-प्रकार के स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए इंडक्टर का चयन

जब आप बक-प्रकार के स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए इंडक्टर चुनते हैं, तो अधिकतम इनपुट वोल्टेज, आउटपुट वोल्टेज, पावर स्विचिंग फ्रीक्वेंसी, अधिकतम रिपल करंट और ड्यूटी साइकिल को निर्धारित करना आवश्यक है। निम्नलिखित में बक-प्रकार के स्विचिंग पावर सप्लाई के लिए इंडक्टेंस मान की गणना का विवरण दिया गया है। पहले मान लीजिए कि स्विचिंग फ्रीक्वेंसी 300 kHz है, इनपुट वोल्टेज रेंज 12 V ± 10% है, आउटपुट करंट 1 A है और अधिकतम रिपल करंट 300 mA है।

बक-प्रकार के स्विचिंग पावर सप्लाई का सर्किट डायग्राम

अधिकतम इनपुट वोल्टेज 13.2V है, और संगत ड्यूटी साइकिल यह है: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), जहाँ Vo आउटपुट वोल्टेज है और Vi इनपुट वोल्टेज है। जब स्विचिंग ट्रांजिस्टर ऑन है, तो इंडक्टर पर वोल्टेज है: V = Vi - Vo = 8.2 V(4)। जब स्विचिंग ट्रांजिस्टर ऑफ़ है, तो इंडक्टर पर वोल्टेज है: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5)। dt＝D/F(6)। समीकरण (2), (3), और (6) को समीकरण (2) में प्रतिस्थापित करने पर:

बूस्ट-टाइप स्विचिंग पावर सप्लाइ के लिए इंडक्टर का चयन

एक बूस्ट स्विचिंग पावर सप्लाई के इंडक्टेंस मान की गणना, छोड़कर कि ड्यूटी साइकल और इंडक्टर वोल्टेज के बीच सम्बन्ध सूत्र में परिवर्तन होता है, अन्य प्रक्रियाएं बक स्विचिंग पावर सप्लाई की गणना की विधि के समान है। मान लीजिए कि स्विचिंग आवृत्ति 300 kHz है, इनपुट वोल्टेज रेंज 5 V ± 10% है, आउटपुट करंट 500 mA है, और दक्षता 80% है, अधिकतम रिपल करंट 450 mA है, और संबंधित ड्यूटी साइकल है: D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5.5/12 = 0.542 (7).

एक बूस्ट स्विचिंग पावर सप्लाई का सर्किट डायग्राम

जब स्विच को ऑन किया जाता है, इंडक्टर पर वोल्टेज है: V = Vi = 5.5 V (8), जब स्विच को ऑफ़ किया जाता है, इंडक्टर पर वोल्टेज है: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), सूत्र 6/7/8 को सूत्र 2 में प्रतिस्थापित करने पर:

कृपया ध्यान दें कि, बक ऑन्वर्टर के विपरीत, बूस्ट ऑन्वर्टर संधारित्र से लोड करंट को निरंतर प्रदान नहीं करते हैं। जब स्विचिंग ट्रांजिस्टर कार्य कर रहा है, संधारित्र करंट स्विच के माध्यम से ग्राउंड तक पहुँचता है, जबकि लोड करंट आउटपुट संधारित्र द्वारा प्रदान किया जाता है। इसलिए, आउटपुट संधारित्र में यथेष्ट ऊर्जा भण्डारित होनी चाहिए ताकि यह अवधि के दौरान लोड को आपूर्ति कर सके। हालांकि, जब स्विच बंद होता है, तो संधारित्र करंट न केवल लोड को आपूर्ति करता है, बल्कि आउटपुट संधारित्र को भी चार्ज करता है।
आमतौर पर, संधारित्र मान को बढ़ाने से आउटपुट रिपल कम होता है, लेकिन विद्युत आपूर्ति की डायनेमिक प्रतिक्रिया कमजोर हो जाती है। इसलिए, विशिष्ट अनुप्रयोग की आवश्यकताओं पर आधारित सही संधारित्र मान का चयन किया जाना चाहिए। उच्च स्विचिंग आवृत्ति छोटे संधारित्र मान की अनुमति देती है, जो संधारित्र के आकार को कम करती है और PCB स्थान की बचत करती है। इस प्रकार, आधुनिक स्विचिंग विद्युत आपूर्तियाँ छोटे इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की मांग को पूरी करने के लिए उच्च आवृत्तियों की ओर बढ़ रही हैं।

स्विचिंग पावर सप्लाइ का विश्लेषण और अनुप्रयोग

लेन्ज़ के नियम के बारे में: एक DC-शक्तिपूर्ण परिपथ में, कुंडली की स्व-आत्मिकता के कारण, एक विद्युत्‌चालक बल (EMF) उत्पन्न होता है जो धारा में वृद्धि को विरोध करता है। इसलिए, पावर-ऑन के क्षण में, परिपथ धारा मूल रूप से शून्य होती है, और पूरा वोल्टेज ड्रॉप कुंडली पर होता है। फिर कुंडली वोल्टेज कम होते हुए धारा धीरे-धीरे बढ़ती है, जब तक कि ट्रांज़िएंट राज्य समाप्त नहीं हो जाता है। स्विचिंग कनवर्टर की कार्यवाही में, इंडक्टर को शीर्ष धाराओं के तहत सैचुरेशन प्रवेश नहीं करना चाहिए ताकि उपयुक्त ऊर्जा संचयन और स्थानांतरण सुनिश्चित हो। एक सैचुरेट इंडक्टर एक सीधे DC पथ की तरह व्यवहार करता है, जिससे उसकी ऊर्जा संचयन क्षमता खो जाती है, जो कनवर्टर की कार्यक्षमता को कम कर देती है। जब स्विचिंग आवृत्ति निर्धारित होती है, तो इंडक्टेंस मान पर्याप्त रूप से बड़ा होना चाहिए ताकि शीर्ष धाराओं के तहत सैचुरेशन रोका जा सके।

स्विचिंग पावर सप्लाई में इंडक्टेंस का निर्धारणः कम स्विचिंग आवृत्तियों पर, चूंकि ऑन/ऑफ अवधि अधिक होती है, इसलिए निरंतर आउटपुट बनाए रखने के लिए एक बड़े इंडक्टेंस मूल्य की आवश्यकता होती है। इससे प्रेरक अधिक चुंबकीय क्षेत्र ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है। इसके अतिरिक्त, लंबी स्विचिंग अवधि के परिणामस्वरूप कम बार ऊर्जा का पुनरुत्पादन होता है, जिससे अपेक्षाकृत कम वर्तमान लहर होती है। इस सिद्धांत को सूत्र द्वारा समझाया जा सकता हैः L = (dt/di) * uL जहां D = Vo/Vi (कार्य चक्र), dt = D/F (समय पर), F = स्विचिंग आवृत्ति, और di = वर्तमान लहर। बक्से कनवर्टर्स के लिए, D = 1 - Vi/Vo; बूस्ट कनवर्टर्स के लिए, D = Vo/Vi। पुनर्व्यवस्थापन देता हैः L = D * uL / (F * di). जब F घटता है, तो L में समानुपातिक वृद्धि होनी चाहिए। इसके विपरीत, अन्य मापदंडों को स्थिर रखते हुए एल को बढ़ाते हुए डीआई (वर्तमान लहर) को कम किया जाता है। उच्च आवृत्तियों पर, बढ़ते प्रेरण प्रतिबाधा को बढ़ाता है, जिससे शक्ति हानि बढ़ जाती है और दक्षता कम हो जाती है। सामान्यतः, निश्चित आवृत्ति के साथ, बड़ा एल आउटपुट लहर को कम करता है लेकिन गतिशील प्रतिक्रिया को खराब करता है (लोड परिवर्तनों के लिए धीमी अनुकूलन) । इसलिए, इष्टतम प्रेरण क्षमता को अनुप्रयोग आवश्यकताओं के आधार पर चुना जाना चाहिए ताकि लहरों के कमी और क्षणिक प्रदर्शन को संतुलित किया जा सके।