Nárazový prúd - príčiny, účinky, ochranné obvody a návrhové techniky

Trvanlivosť a spoľahlivosť elektronického obvodu veľmi závisí od toho, ako dobre je navrhnutý s prihliadnutím na všetky šance, ktoré by mohli skutočne nastať, keď sa produkt skutočne používa. To platí najmä pre všetky napájacie zdroje, ako sú prevodníky AC-DC alebo obvody SMPS, pretože sú pripojené priamo k sieti AC a meniacemu sa zaťaženiu, vďaka ktorému sú náchylné na prepätie, napäťové špičky, preťaženie atď. Preto návrhári zahŕňajú mnoho druhov ochranných obvodov v ich dizajne, už sme sa zaoberali mnohými populárnymi ochrannými obvodmi

Ochrana proti prepätiu
Nadprúdová ochrana
Ochrana proti prepólovaniu
Ochrana proti nárazom

Predtým sme diskutovali o zapínacom prúde, v tomto článku sa budeme zaoberať tým, ako navrhnúť obvody obmedzovača zapínacieho prúdu na ochranu vašich návrhov napájacieho zdroja pred zapínacimi prúdmi. Najskôr pochopíme, čo je zapínací prúd a dôvod jeho generovania. Potom budeme diskutovať o rôznych typoch obvodov, ktoré je možné použiť na ochranu pred zapínacím prúdom, a nakoniec uzavrieme niekoľkými tipmi na ochranu vášho zariadenia pred zapínacím prúdom. Takže poďme na to.

Čo je zapínací prúd?

Ako naznačuje názov, výraz „zapínací prúd“ naznačuje, že keď je zariadenie zapnuté počas počiatočnej fázy, do obvodu prúdi obrovské množstvo prúdu. Podľa definície sa dá definovať ako maximálny okamžitý vstupný prúd odoberaný elektrickým zariadením, keď je zapnutý. Toto správanie možno dobre pozorovať pri AC indukčných zaťaženiach, ako sú transformátory a motory, kde hodnota zapínacieho prúdu bude normálne dvadsaťkrát alebo tridsaťkrát vyššia ako nominálna hodnota. Aj keď je hodnota zapínacieho prúdu veľmi vysoká, vyskytuje sa iba niekoľko milisekúnd alebo mikrosekúnd, a preto si ju bez merača nemožno všimnúť. Nábehový prúd možno tiež nazvať ako vstupný nárazový prúd alebo prepínací prúdprúd založený na pohodlí. Pretože tento jav je skôr pri záťažiach striedavým prúdom, je obmedzovač nárazového prúdu AC viac používaný ako jeho náprotivok s jednosmerným prúdom.

Každý obvod odoberá prúd zo zdroja v závislosti od stavu obvodu. Predpokladajme obvod, ktorý má tri stavy, to znamená pokojový stav, normálny pracovný stav a maximálny pracovný stav. V kľudovom stave zvážte obvod s prúdom 1 mA, v normálnom pracovnom stave s prúdom 500 mA a v maximálnom pracovnom stave s prúdom 1 000 mA alebo 1 A. Preto, ak obvod väčšinou pracuje v normálnom stave, môžeme povedať, že 500 mA je ustálený prúd pre obvod, zatiaľ čo 1A je špičkový prúd odoberaný obvodom.

To je celkom pravda, ľahká práca a jednoduchá matematika. Ale ako už bolo povedané, existuje ďalší stav, keď prúd odoberaný obvodom môže byť 20 alebo dokonca 40-krát väčší ako prúd v ustálenom stave. Je to počiatočný stav alebo výkon na stupni obvodu. Prečo je tento vysoký prúd náhle odoberaný obvodom, pretože je dimenzovaný na aplikáciu s nízkym prúdom? Napríklad v predchádzajúcom príklade 1 mA až 1 000 mA.

Čo spôsobuje zapínací prúd v zariadení?

Aby sme odpovedali na otázky, ktoré musíme dostať do magnetiky cievok induktora a motora, najskôr však zvážme, že je to ako pohybovať obrovskou skriňou alebo ťahať auto, spočiatku potrebujeme veľkú energiu, ale keď sa veci začnú hýbať, stalo sa to jednoduchšie. Presne to isté sa deje vo vnútri obvodu. Takmer každý obvod, najmä napájacie zdroje, používa kondenzátory a tlmivky, tlmivky a transformátory (veľké induktory) veľkej hodnoty, ktoré všetky odoberajú obrovský počiatočný prúd na vývoj magnetického alebo elektrického poľa potrebného na ich činnosť. Vstup obvodu teda zrazu poskytuje cestu s nízkym odporom (impedanciou), ktorá umožňuje prúdenie veľkej hodnoty prúdu do obvodu.

Kondenzátory a tlmivky sa správajú odlišne, keď sú úplne nabité alebo vybité. Napríklad kondenzátor, ktorý je v úplne vybitom stave, funguje ako skrat v dôsledku nízkej impedancie, zatiaľ čo plne nabitý kondenzátor vyhladzuje jednosmerný prúd, ak je pripojený ako filtračný kondenzátor. Je to však veľmi malý časový úsek; za pár milisekúnd sa kondenzátor nabije. Môžete si tiež prečítať o hodnotách ESR a ESL kondenzátora, aby ste lepšie pochopili jeho fungovanie v obvode.

Na druhej strane transformátory, motory a tlmivky (všetky súvisiace s cievkami) generujú počas spustenia spätný emf, počas nabíjania tiež vyžaduje veľmi vysoký prúd. Normálne je potrebných niekoľko prúdových cyklov na stabilizáciu vstupného prúdu do ustáleného stavu. Môžete si tiež prečítať o hodnote DCR v tlmivke, aby ste lepšie pochopili, ako tlmivky pracujú v obvode.

Na obrázku vyššie je zobrazený graf aktuálneho času. Čas zobrazený v milisekundách, ale ten môže byť aj v mikrosekundách. Počas spustenia sa však prúd začne zvyšovať a maximálny špičkový prúd je 6A. Je to zapínací prúd, ktorý existuje veľmi krátke časové obdobie. Ale po zapínacom prúde sa prúd ustáli na hodnote 0,5 A alebo 500 mA. Toto je ustálený stav obvodu.

Preto, keď je vstupné napätie privedené na napájací zdroj alebo do obvodu s veľmi vysokou kapacitou alebo indukčnosťou alebo oboma, dôjde k spínaciemu prúdu. Tento počiatočný prúd, ako je znázornený v grafe zapínacieho prúdu, je veľmi vysoký, čo spôsobí roztavenie alebo vybuchnutie vstupného spínača.

Obvody na ochranu pred nárazovým prúdom - typy

Existuje veľa metód na ochranu vášho prístroja pred zapínacím prúdom a na ochranu obvodu pred zapínacím prúdom je k dispozícii niekoľko rôznych komponentov. Tu je zoznam účinných metód na prekonanie zapínacieho prúdu

Metóda limitu odporu

Existujú dva spôsoby, ako navrhnúť obmedzovač zapínacieho prúdu pomocou metódy obmedzenia odporu. Prvým je pridanie sériového rezistora na zníženie toku prúdu v obvode a druhým je použitie impedancie sieťového filtra na vstupe striedavého napájania.

Táto metóda však nie je efektívnym spôsobom na doplnenie obvodu s vysokým výstupným prúdom. Dôvod je zrejmý, pretože obsahuje odpor. Zapínací prúd odpor zahrejú sa počas normálnej prevádzky a znižuje účinnosť. Príkon rezistora závisí od požiadaviek aplikácie, zvyčajne sa pohybuje v rozmedzí od 1 W do 4 W.

Termistor alebo obmedzovač prúdu založený na NTC

T hermistor je odpor spojený s teplotou, ktorý mení odpor v závislosti od teploty. Pri zapínaní NTC je obvod obmedzovača prúdu obdobou metódy obmedzenia odporu, v sérii so vstupom sa používa aj termistor alebo NTC (negatívny teplotný koeficient).

Termistory majú vlastnosti zmenenej hodnoty odporu pri rôznych teplotách, konkrétne pri nízkej teplote sa termistor chová ako odpor vysokej hodnoty, zatiaľ čo pri vysokých teplotách poskytuje odpor nízkej hodnoty. Táto vlastnosť sa používa pre aplikáciu obmedzujúcu prúd Inrush.

Počas počiatočného spustenia obvodu poskytuje NTC odpor vysokej hodnoty, ktorý znižuje tok zapínacieho prúdu. Ale keď sa obvod dostane do ustáleného stavu, začne sa zvyšovať teplota NTC, čo ďalej vedie k nízkemu odporu. NTC je veľmi efektívna metóda riadenia zapínacieho prúdu.

Obvod mäkkého štartu alebo oneskorenia

Rôzne typy prevodníkov DC / DC regulátora napätia používajú obvod mäkkého štartu alebo oneskorenia na zníženie účinku zapínacieho prúdu. Takýto typ funkčnosti nám umožňuje meniť čas nábehu výstupu, čo efektívne znižuje výstupný prúd pri pripojení k vysokohodnotnej kapacitnej záťaži.

Napríklad 1,5 A Ultra-LDO TPS742 od spoločnosti Texas Instruments ponúka programovateľný kolík soft-start, kde môže používateľ nakonfigurovať lineárny štart pomocou jednoduchého externého kondenzátora. V nasledujúcej schéme zapojenia je znázornený príklad obvodu TPS742, kde je čas mäkkého štartu nastaviteľný pomocou kolíka SS pomocou kondenzátora CSS.

Kde a prečo musíme brať do úvahy obvod na ochranu pred nárazovým prúdom?

Ako už bolo uvedené vyššie, v obvode, kde existuje vysokohodnotná kapacita alebo indukčnosť, je potrebný obvod ochrany pred nárazovým prúdom. Obvod zapínacieho prúdu stabilizuje požiadavku na vysoký prúd v počiatočnom počiatočnom štádiu obvodu. Obvod obmedzovača zapínacieho prúdu obmedzuje vstupný prúd a udržuje zdroj a hostiteľské zariadenie v bezpečí. Pretože vysoký zapínací prúd zvyšuje pravdepodobnosť poruchy obvodu a je potrebné ho odmietnuť. Nábehový prúd je škodlivý z nasledujúcich dôvodov -

Vysoký nárazový prúd ovplyvňuje napájanie zdroja.
Často vysoký zapínací prúd znižuje zdrojové napätie a vedie k resetovaniu brownout pre obvody založené na mikrokontroléroch.
V niekoľkých prípadoch množstvo prúdu dodávaného do obvodu prekročí prijateľné maximálne napätie záťažového obvodu, čo spôsobí trvalé poškodenie záťaže.
U vysokonapäťových striedavých motorov spôsobuje vysoký zapínací prúd vypínač alebo niekedy vyhorenie.
Stopy dosky plošných spojov sú vyrobené tak, aby niesli konkrétnu hodnotu prúdu. Vysoký prúd by mohol potenciálne oslabiť stopy dosky s plošnými spojmi.

Preto, aby sa minimalizoval účinok zapínacieho prúdu, je dôležité zabezpečiť obvod obmedzovača zapínacieho prúdu, kde je vstupná kapacita veľmi vysoká alebo má veľkú indukčnosť.

Ako merať nárazový prúd:

Hlavnou výzvou pri meraní zapínacieho prúdu je rýchle časové rozpätie. Nábehový prúd sa vyskytuje niekoľko milisekúnd (alebo dokonca mikrosekúnd) v závislosti od kapacity záťaže. Hodnota časového rozsahu sa všeobecne líši od 20 - 100 milisekúnd.

Jedným z najjednoduchších spôsobov je použitie vyhradeného kliešťového merača, ktorý má možnosť merať zapínací prúd. Merač sa spustí vysokým prúdom a odoberie viac vzoriek, aby získal maximálny zapínací prúd.

Ďalšou metódou je použitie vysokofrekvenčného osciloskopu, ale tento proces je trochu zložitý. Je potrebné použiť bočníkový odpor s veľmi nízkou hodnotou a na pripojenie cez bočníkový odpor sú potrebné dva kanály. Použitím rôznych funkcií týchto dvoch sond možno získať maximálny špičkový prúd. Pri pripájaní sondy GND je potrebné byť opatrný, nesprávne pripojenie cez rezistor by mohlo viesť ku skratu. GND musí byť pripojený cez obvod GND. Nasledujúci obrázok predstavuje vyššie uvedenú techniku.

Faktory, ktoré treba brať do úvahy pri navrhovaní obvodu na ochranu pred nárazovým prúdom:

Pred výberom metódy obmedzenia zapínacieho prúdu je potrebné vziať do úvahy niekoľko rôznych faktorov a špecifikácií. Tu je zoznam niekoľkých základných parametrov -

1. Kapacitná hodnota záťaže

Kapacita záťaže je základným parametrom pre výber špecifikácie obvodu obmedzujúceho zapínací prúd. Vysoká kapacita vyžaduje počas spustenia vysoký prechodový prúd. V takom prípade je potrebný efektívny obvod s mäkkým štartom.

2. Hodnotenie prúdu v ustálenom stave

Ustálený prúd je obrovským faktorom pre účinnosť obmedzovača prúdu. Napríklad vysoký prúd v ustálenom stave by mohol viesť k zvýšeniu teploty a zlej účinnosti, ak sa použije metóda obmedzenia odporu. Obvod obmedzujúci prúd založený na NTC môže byť voľbou.

3. Spínací čas

To, ako rýchlo sa zaťaženie počas daného časového rámca zapína alebo vypína, je ďalším parametrom, ktorý umožňuje zvoliť metódu obmedzenia zapínacieho prúdu. Napríklad, ak je čas zapnutia / vypnutia veľmi rýchly, potom NTC nemôže chrániť obvod pred zapínacím prúdom. Pretože po prvom resetovaní cyklu sa NTC nevychladne, ak je záťažový obvod vypnutý a zapnutý vo veľmi krátkom časovom rozmedzí. preto sa počiatočný štartovací odpor nemohol zvýšiť a zapínací prúd sa obišiel cez NTC.

4. Prevádzka s nízkym napätím a s nízkym prúdom

V špecifických prípadoch, ak je počas navrhovania obvodu zdroj energie a záťaž v rovnakom obvode, je rozumnejšie použiť na zníženie zapínacieho prúdu regulátor napätia alebo LDO s možnosťou mäkkého štartu. V takom prípade je to aplikácia nízkonapäťového slaboprúdu.