[RAQ] Pomiar prądu cewki w zasilaczach impulsowych

Artykuł prezentuje metodę pomiaru prądu cewki w przetwornicach impulsowych.

Pytanie:

Jak zmierzyć prąd cewki w układzie zasilacza impulsowego?

Odpowiedź:

Zasilacze impulsowe do tymczasowego magazynowania energii powszechnie wykorzystują cewki indukcyjne. Przy badaniu takich zasilaczy, często dobrze jest zmierzyć prąd cewki, aby uzyskać pełen obraz parametrów obwodu konwersji napięcia. Ale jaki jest najlepszy sposób wykonania pomiaru tych prądów?

Rysunek 1 pokazuje sugerowaną konfigurację takiego pomiaru na przykładzie typowego konwertera obniżającego napięcie (buck). Przewód pomiarowy jest połączony szeregowo z cewką indukcyjną. Służy on do podłączenia sondy prądowej i wyświetlenia przebiegu prądu cewki na oscyloskopie. Zaleca się dokonywanie pomiarów po tej stronie cewki indukcyjnej, po której napięcie jest stabilne. Większość topologii przetwornic impulsowych wykorzystuje cewkę w taki sposób, że napięcie z jednej strony jest przełączane między dwiema skrajnymi wartościami, ale z drugiej strony cewki pozostaje względnie stałe. W przypadku przekształtnika buck pokazanego na rysunku 1, napięcie w węźle przełączającym – to znaczy po lewej stronie cewki L – przełącza się między napięciem wejściowym a napięciem uziemienia, zgodnie z częstotliwością przełączania. Po prawej stronie cewki znajduje się napięcie wyjściowe, które zwykle jest stałe. Aby zmniejszyć zakłócenia wywołane sprzężeniem pojemnościowym (sprzężeniem pola elektrycznego), pętlę pomiaru prądu należy umieścić po „spokojniejszej” stronie cewki indukcyjnej, tak jak to pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ilustrujący pomiar prądu cewki w zasilaczu impulsowym

Rysunek 2 prezentuje rzeczywistą konfigurację tego pomiaru. Cewka została odlutowana i podniesiona, a następnie prowizorycznie przylutowana z powrotem wraz z jednym z dwóch zacisków pomiarowych. Drugi zacisk sondy podłączono do padu za pomocą pomocniczego drutu. Jest to dość prosta modyfikacja układu. Rozlutowanie gorącym powietrzem jest sprawdzoną metodą odłączania cewki. Wiele stacji lutowniczych SMD oferuje gorące powietrze o regulowanej temperaturze.

Rysunek 2. Rzeczywisty układ pomiaru prądu cewki

Czy można użyć rezystora bocznikowego?

Sondy prądowe można łatwo znaleźć w ofercie producentów oscyloskopów. Niestety są one zwykle dość drogie – dlatego ciągle pojawia się pytanie czy prąd cewki indukcyjnej można również zmierzyć za pomocą rezystora bocznikowego? W zasadzie jest to możliwe. Jednak ta technika ma tę wadę, że szum przełączania zasilacza impulsowego może łatwo wpływać na pomiar. Zatem szczególnie w punktach, które są najistotniejsze, gdy prąd cewki indukcyjnej zmienia kierunek, wyniki pomiaru nie reprezentowałyby właściwie zachowania prądu cewki indukcyjnej.

Rysunek 3. Pomiar prądu cewki na niebiesko i zachowanie nasyconej cewki dorysowane na fioletowo

Rysunek 3 obrazuje pomiar prądu cewki indukcyjnej (na niebiesko) dla zasilacza impulsowego, który jest wykonywany za pomocą sondy prądowej kompatybilnej z zastosowanym oscyloskopem. Oprócz pomiaru pokazanego na niebiesko dodano fioletowe oznaczenie wskazujące, jak wyglądałby przepływ prądu przez cewkę, gdy cewka zacznie nadmiernie nasycać się przy prądzie bliskim prądu szczytowego. Dzieje się tak, gdy wybierze się cewkę, która nie ma wystarczającej wartości prądu pracy dla danego zastosowania.

Jednym z głównych powodów pomiaru prądu cewki indukcyjnej w zasilaczu impulsowym jest chęć rozpoznania, czy cewka została właściwie dobrana, czy też podczas pracy lub w trakcie awarii może wystąpić jej nasycenie.

Pomiary z wykorzystaniem rezystora bocznikowego zamiast sondy prądowej pokazałoby jedynie silny szum, szczególnie przy wysokich prądach. Znacząco utrudniłoby to wykrycie nasycenia cewki indukcyjnej.

Mierzenie prądu cewki jest bardzo przydatne podczas projektowania zasilacza i można je łatwo zrealizować za pomocą odpowiedniego sprzętu.

O autorze

Frederik Dostal - Analog Devices

Studiował mikroelektronikę na Uniwersytecie w Erlangen (Niemcy). Pracę zawodową rozpoczął w branży zarządzania energią w 2001. Pracował jako inżynier aplikacyjny systemów zasilających, następnie 4 lata w Phoenix, w stanie Arizona, specjalizując się w systemach zasilania typu switch mode. Od roku 2009 pracuje w monachijskim oddziale Analog Devices jako Power Management Segment Regional Marketing Engineer na teren Europy. Jednym z jego głównych zadań jest prowadzenie seminariów technicznych z zakresu projektowania systemów zasilania.