Náběhový proud - příčiny, účinky, ochranné obvody a návrhové techniky

Trvanlivost a spolehlivost elektronického obvodu jsou do značné míry závislé na tom, jak dobře je navržen s ohledem na všechny šance, které by mohly nastat prakticky, když je produkt skutečně používán. To platí zejména pro všechny napájecí zdroje, jako jsou převodníky AC-DC nebo obvody SMPS, protože jsou připojeny přímo k síti AC a měnící se zátěž, která je činí náchylnými k přepětí, napěťovým špičkám, přetížení atd. Proto návrháři zahrnují mnoho typů ochranných obvodů v jejich designu, jsme již pokryli mnoho populárních ochranných obvodů, jmenovitě

• Ochrana před vysokým napětím
• Nadproudová ochrana
• Ochrana proti přepólování
• Ochrana proti zkratu

Předtím jsme diskutovali o zapínacím proudu, v tomto článku se budeme zabývat tím, jak navrhnout obvody omezovače zapínacího proudu, aby byly chráněny vaše návrhy napájecího zdroje před zapínacími proudy. Nejprve pochopíme, co je zapínací proud a proč je generován. Poté probereme různé typy návrhů obvodů, které lze použít k ochraně zapínacího proudu, a nakonec uzavřeme několik tipů, jak chránit zařízení před zapínacím proudem. Pojďme tedy začít.

Co je zapínací proud?

Jak název napovídá, výraz „zapínací proud“ označuje, že když je zařízení zapnuto během počáteční fáze, do obvodu proudí obrovské množství proudu. Podle definice jej lze definovat jako maximální okamžitý vstupní proud odebíraný elektrickým zařízením, když je zapnutý. Toto chování lze dobře pozorovat u AC indukčních zátěží, jako jsou transformátory a motory, kde hodnota zapínacího proudu bude obvykle dvacetkrát nebo třicetkrát vyšší než jmenovité hodnoty. I když je hodnota zapínacího proudu velmi vysoká, vyskytuje se pouze po dobu několika milisekund nebo mikrosekund, a proto si ji nelze bez měřiče všimnout. Náběhový proud lze také nazvat jako vstupní rázový proud nebo přepínací rázproud založený na pohodlí. Vzhledem k tomu, že tento jev je spíše u zátěží střídavým proudem, je omezovač střídavého proudu více používán než jeho stejnosměrný protějšek.

Každý obvod odebírá proud ze zdroje v závislosti na stavu obvodu. Předpokládejme obvod, který má tři stavy, tj. Klidový stav, normální pracovní stav a maximální pracovní stav. V klidovém stavu vezměte v úvahu, že obvod odebírá 1 mA proudu, v normálním provozním stavu obvod odebírá 500 mA proudu a v maximálním provozním stavu může odebírat 1000 mA nebo 1 A proudu. Proto pokud obvod většinou pracuje v normálním stavu, můžeme říci, že 500mA je proud v ustáleném stavu pro obvod, zatímco 1A je špičkový proud odebíraný obvodem.

To je docela pravda, snadná práce a jednoduchá matematika. Ale jak již bylo řečeno, existuje další stav, kdy proud odebíraný obvodem může být 20 nebo dokonce 40krát větší než proud v ustáleném stavu. Je to počáteční stav nebo výkon na fázi obvodu. Proč tedy tento vysoký proud náhle odebírá obvod, protože je dimenzován pro aplikace s nízkým proudem? Například v předchozím příkladu 1 mA až 1 000 mA.

Co způsobuje zapínací proud v zařízení?

Abychom odpověděli na otázky, které musíme dostat do magnetiky cívek induktoru a motoru, ale začněme si uvědomit, že je to jako pohybovat obrovskou skříní nebo tahat auto, zpočátku potřebujeme vysokou energii, ale jak se věci začnou pohybovat jednodušší. Přesně totéž se děje uvnitř obvodu. Téměř každý obvod, zejména napájecí zdroje, používá velkokapacitní kondenzátory a induktory, tlumivky a transformátory (obrovský induktor), z nichž všechny odebírají obrovský počáteční proud pro vývoj magnetického nebo elektrického pole potřebného pro jejich provoz. Vstup obvodu tedy najednou poskytuje cestu s nízkým odporem (impedancí), která umožňuje proudění velké hodnoty proudu do obvodu.

Kondenzátory a induktory se chovají odlišně, když jsou plně nabité nebo vybité. Například kondenzátor, když je zcela vybitý, funguje jako zkrat kvůli nízké impedanci, zatímco plně nabitý kondenzátor vyhladí stejnosměrný proud, pokud je připojen jako filtrační kondenzátor. Je to však velmi malý časový úsek; za pár milisekund se kondenzátor nabije. Můžete si také přečíst o hodnotách ESR a ESL kondenzátoru, abyste lépe porozuměli jeho fungování v obvodu.

Na druhé straně transformátory, motory a induktory (vše související s cívkami) generují zpětné emf během spouštění, také vyžadují velmi vysoký proud během stavu nabíjení. Normálně je zapotřebí několik proudových cyklů ke stabilizaci vstupního proudu do ustáleného stavu. Můžete si také přečíst o hodnotě DCR v induktoru, abyste lépe pochopili, jak induktory pracují v obvodu.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen graf aktuální vs. čas. Čas zobrazený v milisekundách, ale ten může být i v mikrosekundách. Během spouštění se však proud začíná zvyšovat a maximální špičkový proud je 6A. Jedná se o zapínací proud, který existuje po velmi krátkou dobu. Ale po zapínacím proudu se tok proudu ustálí na hodnotě 0,5 A nebo 500 mA. Jedná se o ustálený proud obvodu.

Proto, když je vstupní napětí přivedeno na napájecí zdroj nebo do obvodu, který má velmi vysokou kapacitu nebo indukčnost, nebo obojí, dojde k zapínacímu proudu. Tento počáteční proud, jak je znázorněn v grafu zapínacího proudu, je velmi vysoký, což způsobí roztavení nebo vybuchnutí vstupního spínače.

Obvody ochrany proti nárazovému proudu - typy

Existuje mnoho metod, jak chránit zařízení před zapínacím proudem, a k dispozici jsou různé komponenty k ochraně obvodu před zapínacím proudem. Zde je seznam účinných metod k překonání zapínacího proudu

Metoda limitu rezistoru

Existují dva způsoby, jak navrhnout omezovač zapínacího proudu pomocí metody omezení odporu. Prvním z nich je přidání sériového odporu ke snížení toku proudu v obvodu a druhým je použití impedance síťového filtru na vstupu střídavého napájení.

Tato metoda však není efektivní způsob, jak přidat přes obvod s vysokým výstupním proudem. Důvod je zřejmý, protože zahrnuje odpor. Zapínací proud odpor zahřejí se během normálního provozu a snižuje účinnost. Příkon rezistoru závisí na požadavcích aplikace, obvykle se pohybuje mezi 1W až 4W.

Omezovač proudu založený na termistoru nebo NTC

T hermistor je teplotně vázaný rezistor, který mění odpor v závislosti na teplotě. Při zapínání NTC je obvod omezovače proudu podobný metodě omezující odpor, v sérii se vstupem se také používá termistor nebo NTC (záporný teplotní koeficient).

Termistory mají vlastnosti změněné hodnoty odporu při různých teplotách, konkrétně při nízké teplotě se termistor chová jako odpor vysoké hodnoty, zatímco při vysokých teplotách poskytuje odpor nízké hodnoty. Tato vlastnost se používá pro aplikaci omezující proud Inrush.

Během počátečního spuštění obvodu poskytuje NTC odpor vysoké hodnoty, který snižuje tok zapínacího proudu. Ale během přechodu obvodu do ustáleného stavu se teplota NTC začíná zvyšovat, což dále vedlo k nízkému odporu. NTC je velmi účinná metoda řízení zapínacího proudu.

Měkký start nebo zpožděný obvod

Různé typy měničů DC / DC regulátoru napětí používají obvod soft startu nebo zpoždění ke snížení účinku zapínacího proudu. Takový typ funkčnosti nám umožňuje změnit dobu náběhu výstupu, což účinně snižuje výstupní proud při připojení k kapacitní zátěži vysoké hodnoty.

Například 1,5A Ultra-LDO TPS742 od společnosti Texas Instruments nabízí programovatelný kolík soft-start, kde může uživatel konfigurovat lineární spuštění pomocí jednoduchého externího kondenzátoru. V níže uvedeném schématu zapojení je ukázkový příklad obvodu TPS742, kde je čas měkkého startu konfigurovatelný pomocí pinu SS pomocí kondenzátoru CSS.

Kde a proč musíme vzít v úvahu proudový ochranný obvod?

Jak již bylo uvedeno výše, v obvodu, kde existuje vysoce hodnotná kapacita nebo indukčnost, je vyžadován obvod ochrany proti nárazovému proudu. Obvod zapínacího proudu stabilizuje požadavek na vysoký proud v počáteční počáteční fázi obvodu. Obvod omezovače zapínacího proudu omezuje vstupní proud a udržuje zdroj a hostitelské zařízení bezpečnější. Protože vysoký zapínací proud zvyšuje pravděpodobnost selhání obvodu a je třeba jej odmítnout. Náběhový proud je škodlivý z následujících důvodů -

1. Vysoký zapínací proud ovlivňuje napájení zdroje.
2. Vysoký zapínací proud často snižuje zdrojové napětí a vede k resetování brownout u obvodů založených na mikrokontrolérech.
3. V několika případech množství proudu dodávaného do obvodu překročí přijatelné maximální napětí zátěžového obvodu, což způsobí trvalé poškození zátěže.
4. U vysokonapěťových střídavých motorů způsobuje vysoký spínací proud vypínač napájení nebo někdy vyhoří.
5. Stopy desky plošných spojů jsou vyrobeny tak, aby nesly konkrétní hodnotu proudu. Vysoký proud by mohl potenciálně oslabit stopy desky PCB.

Proto, aby se minimalizoval účinek zapínacího proudu, je důležité zajistit obvod omezovače zapínacího proudu, kde je vstupní kapacita velmi vysoká nebo má velkou indukčnost.

Jak měřit zapínací proud:

Hlavní výzvou pro měření zapínacího proudu je rychlé časové rozpětí. Náběhový proud nastává po dobu několika milisekund (nebo dokonce mikrosekund) v závislosti na kapacitě zátěže. Hodnota časového rozpětí se obecně liší od 20 do 100 milisekund.

Jedním z nejjednodušších způsobů je použití vyhrazeného klešťového měřiče, který má možnost měřit zapínací proud. Měřič se spouští vysokým proudem a odebírá několik vzorků, aby získal maximální zapínací proud.

Další metodou je použití vysokofrekvenčního osciloskopu, ale tento proces je trochu složitý. Je třeba použít směšovač s velmi nízkou hodnotou a pro připojení přes směšovač je zapotřebí dvou kanálů. Použitím různých funkcí těchto dvou sond lze získat maximální špičkový proud. Při připojování sondy GND je třeba být opatrný, nesprávné připojení přes rezistor by mohlo vést ke zkratu. GND je třeba připojit přes obvod GND. Níže uvedený obrázek je znázorněním výše uvedené techniky.

Faktory, které je třeba vzít v úvahu při navrhování obvodu ochrany proti nárazovému proudu:

Před výběrem metody omezení zapínacího proudu je třeba vzít v úvahu několik různých faktorů a specifikací. Zde je seznam několika základních parametrů -

1. Hodnota kapacity zátěže

Kapacita zátěže je základním parametrem pro výběr specifikace obvodu omezujícího zapínací proud. Vysoká kapacita vyžaduje během spouštění vysoký přechodový proud. V takovém případě je vyžadován efektivní obvod s pozvolným rozběhem.

2. Jmenovitý proud v ustáleném stavu

Rovnovážný proud je obrovským faktorem pro účinnost omezovače proudu. Například vysoký proud v ustáleném stavu může vést ke zvýšení teploty a špatné účinnosti, pokud se použije metoda limitu rezistoru. Obvod omezující proud založený na NTC může být volbou.

3. Spínací čas

Jak rychle se zátěž během daného časového rámce zapíná nebo vypíná, je dalším parametrem pro výběr metody omezení zapínacího proudu. Například pokud je čas zapnutí / vypnutí velmi rychlý, pak NTC nemohl chránit obvod před zapínacím proudem. Protože po resetování prvního cyklu se NTC neochladí, pokud je zatěžovací obvod vypnut a zapnut ve velmi krátkém časovém rozpětí. počáteční startovací odpor tedy nemohl být zvýšen a zapínací proud je obcházen NTC.

4. Provoz s nízkým napětím a nízkým proudem

Ve specifických případech, pokud během návrhu obvodu existuje zdroj energie a zátěž ve stejném obvodu, je rozumnější použít pro snížení zapínacího proudu regulátor napětí nebo LDO se zařízením pro soft start. V takovém případě je aplikací aplikace nízkého napětí a nízkého proudu.