Was ist Leistungsinduktoren?
Eine Leistungsinduktivität ist ein Spulenelement, das in Stromkreisen unter den Induktivitäten verwendet wird.
Sie werden auch Leistungsdrosseln genannt. Es gibt drei grundsätzliche Konstruktionsarten: Wicklungen in Lamellenbauweise, Wicklungen auf einem stabförmigen Kern und Wicklungen auf einem trommelförmigen Kern.
Induktivitäten, einschließlich Leistungsinduktoren, haben eine Eigenschaft, die Gleichströme durchlässt, Wechselströme aber nicht durchlässt. Diese Eigenschaft wird genutzt, um hochfrequentes Rauschen in Schaltungen zur Spannungsumwandlung zu eliminieren.
Die Impedanz drückt die Schwierigkeit aus, Wechselstrom durchzulassen, und die folgende Formel für die Impedanz einer Induktivität zeigt, dass diese Eigenschaft leicht erklärt werden kann.
Impedanz einer Induktivität [Ω]ZL=jωL
(L: Induktivität [H] ω: Winkelfrequenz [rad/s])
Verwendungszwecke von Leistungsinduktoren
Leistungsinduktoren werden in einer Vielzahl von Bereichen wie Haushaltsgeräten, Telekommunikationseinrichtungen und Verkehrsmitteln eingesetzt, um die Spannungsversorgung von Stromkreisen zu stabilisieren. Beispiele hierfür sind Smartphones und Automobile.
Die Regelung der Gleichstromspannung ist für alle elektronischen Geräte sehr wichtig. Der Grund dafür ist, dass elektronische Geräte über einen Versorgungsspannungsbereich verfügen, der einen normalen Betrieb gewährleistet, und daher hat die Fähigkeit, jedes Bauteil mit der richtigen Spannung zu versorgen, Auswirkungen auf den stabilen Betrieb der Schaltkreise und die Lebensdauer der Geräte.
DC-DC-Wandler sind Spannungswandlerschaltungen, und die Bereitstellung einer stabilen Spannung hängt von der Leistung des Leistungsinduktors ab. Es gibt zwei Arten von Wandlerschaltungen: Abwärtswandlerschaltungen, die die Spannung senken, und Aufwärtswandlerschaltungen, die die Spannung erhöhen. Beide enthalten als Komponenten Schaltelemente, Dioden und Leistungsinduktoren.
Prinzip der Leistungsinduktoren
Wenn ein Wechselstrom durch eine Drosselspule fließt, erzeugt die elektromagnetische Induktion eine induzierte elektromotorische Kraft, die proportional zur zeitlichen Änderung des Stroms ist.
Induzierte elektromotorische Kraft [V]e = -L* (dI/dt)
(L: Induktivität [H] I: Strom [A] t: Zeit [sec])
Da die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft der ursprünglichen Flussänderung entgegengesetzt ist (Lenz’sche Regel), wird sie mit einem Minuszeichen versehen, um dies deutlich zu machen. Es entsteht eine induzierte elektromotorische Kraft in der Richtung, die der Stromänderung entgegenwirkt, so dass ein Wechselstrom nur schwer fließen kann.
Die an der induzierten elektromotorischen Kraft beteiligte Proportionalitätskonstante ist die Induktivität (Einheit: Henry [H]). Sie wird als die Fähigkeit ausgedrückt, elektrische Energie in magnetische Energie umzuwandeln.
Um die Induktivität zu erhöhen, können Methoden wie “Vergrößerung der Querschnittsfläche der Spule”, “Erhöhung der Windungszahl” und “Erhöhung der magnetischen Permeabilität durch Hinzufügen eines Kerns” eingesetzt werden. Für den Einsatz in Umrichtern wird die Induktivität in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz bestimmt.
Im Vergleich zu Induktoren für andere Anwendungen zeichnen sich Leistungsinduktoren durch ihre großen Außenabmessungen und ihre hohe Induktivität aus und sind so konzipiert, dass sie sich besser für eine stabile Versorgung mit Gleichspannung eignen.
Auswahl einer Leistungsinduktivität
Bei der Auswahl einer Leistungsinduktivität sind zunächst der Induktivitätswert und der zulässige Strom, der durch die Induktivität fließt, zu berücksichtigen. Darüber hinaus müssen auch die Form und die Frequenzcharakteristik der Induktivität berücksichtigt werden, um die optimale Komponente zu bestimmen. Die Entscheidung basiert auf dem Wirkungsgrad, den Ausgangseigenschaften und der Störfestigkeit, die für den zu entwerfenden DC-DC-Wandler erforderlich sind.
Für Leistungsinduktoren werden der zulässige DC-Überlagerungsstrom und der zulässige Temperaturanstiegsstrom angegeben. Für Induktivitäten,
- Je größer der Gleichstrom ist, der durch die Induktivität fließt, desto geringer ist die Induktivität.
- Mit steigendem Strom nimmt die Joule-Wärme durch den Widerstand der Wicklung zu.
Daher ist nicht nur der Induktivitätswert, sondern auch der zulässige Stromwert wichtig. Die Hersteller produzieren eine Vielzahl von Induktivitäten für eine breite Palette von Anwendungen. Ein Bauteil mit einer großen Induktivität hat zum Beispiel niedrige Gleichstromverluste und damit einen hohen Wirkungsgrad, aber der Nachteil ist, dass die Außenabmessungen des Bauteils größer sind und mehr Wärme erzeugt wird. Auch diese Punkte müssen sorgfältig beachtet werden.
Idealerweise sollte der Spannungswert der Gleichstromversorgung jeder zu entwerfenden Schaltungsgruppe stets auf einem konstanten Wert gehalten werden, was in der Realität jedoch selten möglich ist. Um Probleme zu vermeiden, ist es jedoch wichtig, Geräte mit hervorragenden Eigenschaften auszuwählen.