Texas Instruments TI-PMLK Bedienungsanleitung Seite 70

Erörterung
In Prüfung 1 haben wir den Zusammenhang zwischen der Spitze-zu-Spitze-Welligkeit des Induktorstroms, der Spitze-zu-Spitze-Welligkeit der Ausgangsspannung und den Betriebsbedingungen bei
verschiedenen Eingangsspannungen und Lastströmen untersucht. Dabei wurde die Sättigung des Induktors berücksichtigt, die vom Material des Magnetkerns beeinflusst wird.
Experiment 2
In haben wir bereits den Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Spitze-zu-Spitze-Welligkeit des Induktorstroms analysiert. Die Eigenschaft, die wir hier untersuchen, ist die Sättigung
der Induktoren, speziell des Induktors mit Ferritkern. Es ist insbesondere zu beobachten, dass die Größe der Spitze-zu-Spitze-Welligkeit des Induktorstroms bei steigendem Laststrom zunimmt.
Dies wird durch die Sättigung des Induktors verursacht. Die relative Zunahme der Welligkeitsgröße ist bei einem Ferritkern höher als bei einem Pulverkern. Der Grund für diesen Unterschied liegt im
Material des Magnetkerns.
Ein Ferritkern besteht aus einem kompakten Material, dem Ferrit, das aus Eisenoxid besteht und zudem Elemente wie Mangan und Zink enthält. Ferrite können je nach Zusammensetzung unter-
schiedliche Eigenschaften haben. Im Allgemeinen ist die magnetische Permeabilität von Ferrit bei einer geringen magnetischen Feldstärke H (die proportional zum Stromfluss durch die Induktorwick-
lung ist) hoch und nimmt aufgrund der Magnetisierung des Materials immer mehr und immer schneller ab, wenn die magnetische Feldstärke größer wird. Aus diesem Grund gibt es bei Induktoren mit
Ferritkern einen scharfen Übergang in die Sättigung, wie in Abbildung 2 dargestellt und durch die Gleichung (1) im Abschnitt Theoretischer Hintergrund beschrieben.
Ein Pulverkern besteht aus mikrogranularem Material, das sich aus kleinen Partikeln von Legierungen mit Elementen wie Eisen, Nickel und Molybdän zusammensetzt, die komprimiert sind und das
Aussehen sowie die Konsistenz eines festen Materials annehmen. Die verbliebenen kleinen Luftlöcher zwischen den Partikeln erzeugen eine Art von verteiltem Luftspalt im gesamten Material. Der
globale Effekt des verteilten Luftspalts besteht in der Reduzierung der äquivalenten Permeabilität des Materials und in der Linearisierung seiner Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke. Aus
diesem Grund ist bei Induktoren mit Pulverkern der Übergang in die Sättigung bei steigendem Stromfluss durch die Induktorwicklung linear und sanfter als bei Induktoren mit Ferritkern, wie in Abbil-
dung 3 dargestellt und durch die Gleichung (2) im Abschnitt Theoretischer Hintergrund beschrieben.
Eine höhere Eingangsspannung begünstigt die Sättigung des Induktors, da sie zu einem größeren Volt-Sekunde-Produkt führt, das wiederum die Spitze-zu-Spitze-Welligkeit des Induktorstroms erhöht.
Die für Prüfung 1 ausgewählten Laststromwerte ermöglichen die Untersuchung verschiedener Betriebsbereiche der beiden optionalen Induktoren des Abwärtsreglers TPS54160 hinsichtlich ihrer
Induktivität als Funktion des Stroms. Bei niedrigem Laststrom führt der Induktor mit Pulverkern zu einer höheren Stromwelligkeit als der Induktor mit Ferritkern, während dies bei hohem Laststrom
umgekehrt ist.
In Prüfung 2 haben wir die äquivalente Induktivität des Induktors berechnet und dabei die Kernsättigung berücksichtigt, die vom Material des Magnetkerns beeinflusst wird.
Die drei für Prüfung 2 ausgewählten Laststromwerte ermöglichen die Untersuchung des Betriebsbereichs der beiden Induktoren, in dem die Sättigung deutlicher auftritt, was zu einer stärkeren Ab-
nahme der äquivalenten Induktivität führt. Die experimentellen Beispielkurven in den Abbildungen 10 und 11 zeigen, dass die Wellenformen der beiden Induktoren bei niedrigem Laststrom dreieckig
sind. Das Diagramm in Abbildung 12 zeigt hingegen, dass bei hohem Laststrom die Stromwellenform des Induktors mit Ferritkern nicht mehr dreieckig ist, sondern eine Sägezahnform aufweist. Die
äquivalente Induktivität des Induktors ist in diesem Fall viel niedriger als dessen Nennwert. Dies ist die Auswirkung des scharfen Übergangs in die Sättigung bei Ferritkernen. Dagegen bleibt die Strom-
wellenform des Induktors mit Pulverkern in Abbildung 13 auch bei hohem Laststrom dreieckig und die äquivalente Induktivität nimmt nicht deutlich ab, was eine Folge der viel sanfteren Sättigung ist.
[HINWEIS: Es kann passieren, dass die interne Strombegrenzung des TPS54160-Chips den Abwärtsregler bei einem bestimmten Strom (ca. 2 A) abschaltet. In diesem Fall die Taste „AUSGANG EIN"
Experiment 5
des NETZGERÄTS in die Stellung OFF bringen und die Prüfung mit einem geringeren maximalen Strom wiederholen. Unter sind nähere Informationen zum Einfluss der Induktorsättigung
auf die Wirkung der Strombegrenzung zu finden.]