Пусковой ток - причины, следствия, схемы защиты и методы проектирования

Долговечность и надежность электронной схемы во многом зависят от того, насколько хорошо она спроектирована, учитывая все шансы, которые могут практически возникнуть при фактическом использовании продукта. Это особенно верно для всех блоков питания, таких как преобразователи переменного тока в постоянный или схемы SMPS, поскольку они подключены непосредственно к сети переменного тока и переменной нагрузке, что делает их уязвимыми к перенапряжениям, скачкам напряжения, перегрузкам и т. Д. Вот почему разработчики включают много типов схем защиты в их конструкции, мы уже рассмотрели много популярных схем защиты, а именно

Защита от перенапряжения
Защита от сверхтока
Защита от обратной полярности
Защита от выстрела

Ранее мы обсуждали пусковой ток, в этой статье мы обсудим, как спроектировать схемы ограничителя пускового тока, чтобы защитить ваши конструкции блока питания от пусковых токов. Сначала мы поймем, что такое пусковой ток и почему он возникает. Затем мы обсудим различные типы схемотехники, которые можно использовать для защиты от пускового тока, и в заключение дадим несколько советов по защите вашего устройства от пускового тока. Итак, приступим.

Что такое пусковой ток?

Как следует из названия, термин «пусковой ток» указывает на то, что при включении устройства на начальном этапе в цепь врывается огромное количество тока. По определению, его можно определить как максимальный мгновенный входной ток, потребляемый электрическим устройством при его включении. Такое поведение можно хорошо наблюдать в индуктивных нагрузках переменного тока, таких как трансформаторы и двигатели, где значение пускового тока обычно в двадцать или тридцать раз больше номинальных значений. Несмотря на то, что значение пускового тока очень велико, он возникает только в течение нескольких миллисекунд или микросекунд, поэтому его нельзя заметить без счетчика. Пусковой ток также может называться скачком на входе или скачком при включении.ток в зависимости от удобства. Поскольку это явление больше характерно для нагрузок переменного тока, ограничитель пускового тока переменного тока используется чаще, чем его аналог для постоянного тока.

Каждая цепь потребляет ток от источника в зависимости от состояния цепи. Предположим, что схема имеет три состояния: состояние ожидания, нормальное рабочее состояние и максимальное рабочее состояние. В состоянии покоя схема потребляет ток 1 мА, в нормальном рабочем состоянии схема потребляет ток 500 мА, а в максимальном рабочем состоянии она может потреблять ток 1000 мА или 1 А. Следовательно, если схема в основном работает в нормальном состоянии, мы можем сказать, что 500 мА - это установившийся ток для схемы, а 1 А - пиковый ток, потребляемый схемой.

Это действительно так, с ней легко работать и простая математика. Но, как было сказано ранее, существует другое состояние, когда ток, потребляемый схемой, может быть в 20 или даже 40 раз больше, чем ток в установившемся состоянии. Это начальное состояние или мощность на этапе схемы. Теперь, почему этот высокий ток внезапно потребляется схемой, поскольку она рассчитана на применение с низким током? Как в предыдущем примере, от 1 мА до 1000 мА.

Что вызывает пусковой ток в устройстве?

Чтобы ответить на вопросы, мы должны погрузиться в магнитные свойства катушек индуктора и двигателя, но для начала давайте рассмотрим, что это похоже на перемещение огромного шкафа или тянущее машину, сначала нам нужна высокая энергия, но когда все начинает двигаться, это стало Полегче. Точно то же самое происходит внутри схемы. Почти в каждой цепи, особенно в источниках питания, используются конденсаторы и катушки индуктивности большой емкости, дроссели и трансформаторы (огромные катушки индуктивности), все из которых потребляют огромный начальный ток для создания магнитного или электрического поля, необходимого для их работы. Таким образом, вход схемы внезапно обеспечивает путь с низким сопротивлением (импедансом), который позволяет току большого значения течь в цепь.

Конденсаторы и катушки индуктивности ведут себя по-разному, когда они полностью заряжены или разряжены. Например, конденсатор, когда он находится в полностью разряженном состоянии, действует как короткое замыкание из-за низкого импеданса, тогда как полностью заряженный конденсатор сглаживает постоянный ток, если он подключен как конденсатор фильтра. Однако это очень небольшой промежуток времени; за несколько миллисекунд конденсатор заряжается. Вы также можете прочитать о значениях ESR и ESL конденсатора, чтобы лучше понять, как он работает в цепи.

С другой стороны, трансформаторы, двигатели и индукторы (все, что связано с катушками) генерируют обратную ЭДС во время запуска, а также требуют очень высокого тока во время состояния зарядки. Обычно для стабилизации входного тока до установившегося состояния требуется несколько токовых циклов. Вы также можете прочитать значение DCR в катушке индуктивности, чтобы лучше понять, как катушки индуктивности работают в цепи.

На изображении выше показан график зависимости тока от времени. Время отображается в миллисекундах, но может быть и в микросекундах. Однако во время запуска ток начинает увеличиваться, и максимальный пиковый ток составляет 6 А. Это пусковой ток, который существует в течение очень короткого промежутка времени. Но после броска тока ток становится стабильным и составляет 0,5 А или 500 мА. Это установившийся ток цепи.

Следовательно, когда входное напряжение подается на источник питания или в цепь с очень высокой емкостью или индуктивностью, или и тем, и другим, возникает пусковой ток. Этот начальный ток, как показано на графике пускового тока, становится очень высоким, вызывая плавление или взрыв входного переключателя.

Цепи защиты от пускового тока - типы

Существует множество методов защиты устройства от пускового тока, и доступны различные компоненты для защиты цепи от пускового тока. Вот список эффективных методов преодоления пускового тока:

Метод ограничения резистора

Есть два способа спроектировать ограничитель пускового тока с использованием метода ограничения резистора. Первый заключается в добавлении последовательного резистора для уменьшения тока в цепи цепи, а второй - в использовании полного сопротивления сетевого фильтра на входе источника переменного тока.

Но этот метод не является эффективным способом добавления в цепь с высоким выходным током. Причина очевидна, потому что она включает сопротивление. Пусковой ток резистор нагревается во время нормальной работы и снижает эффективность. Мощность резистора зависит от требований приложения и обычно составляет от 1 до 4 Вт.

Ограничитель тока на основе термистора или NTC

Т hermistor представляет собой температуру в сочетании резистор, который изменяет сопротивление в зависимости от температуры. При пусковом токе NTC схема ограничителя тока аналогична методу ограничения резистора, термистор или NTC (отрицательный температурный коэффициент) также используются последовательно со входом.

Термисторы имеют характеристики изменяющегося значения сопротивления при разных температурах, в частности, при низких температурах Термистор ведет себя как резистор большого номинала, тогда как при высоких температурах он обеспечивает сопротивление низкого значения. Это свойство используется для приложения ограничения пускового тока.

Во время первоначального запуска схемы NTC обеспечивает высокое сопротивление, которое снижает пусковой ток. Но когда цепь переходит в установившееся состояние, температура NTC начинает повышаться, что в дальнейшем приводит к низкому сопротивлению. NTC - очень эффективный метод управления пусковым током.

Схема плавного пуска или задержки

Различные типы регуляторов напряжения DC / DC преобразователи используют схему плавного пуска или задержки для уменьшения эффекта пускового тока. Такой тип функциональности позволяет нам изменять время нарастания выхода, что эффективно снижает выходной ток при подключении к емкостной нагрузке большой емкости.

Например, 1.5A Ultra-LDO TPS742 от Texas Instruments предлагает программируемый вывод плавного пуска, на котором пользователь может настроить линейный запуск с помощью простого внешнего конденсатора. На приведенной ниже принципиальной схеме показан пример схемы TPS742, в которой время плавного пуска настраивается с помощью вывода SS с помощью конденсатора CSS.

Где и почему нужно учитывать схему защиты от пускового тока?

Как обсуждалось ранее, для схемы с высокой емкостью или индуктивностью требуется схема защиты от пускового тока. Цепь пускового тока стабилизирует потребность в большом токе на начальном этапе пуска цепи. Схема ограничителя пускового тока ограничивает входной ток и обеспечивает безопасность источника и хост-устройства. Потому что высокий пусковой ток увеличивает вероятность отказа схемы, и это необходимо отклонить. Пусковой ток вреден по следующим причинам:

Высокий пусковой ток влияет на источник питания.
Часто высокий пусковой ток снижает напряжение источника и приводит к сбросу напряжения для схемы на основе микроконтроллера.
В некоторых случаях величина тока, подаваемого в цепь, превышает допустимое максимальное напряжение цепи нагрузки, что приводит к необратимому повреждению нагрузки.
В высоковольтных двигателях переменного тока высокий пусковой ток вызывает срабатывание переключателя питания или иногда его перегорание.
Следы на плате PCB сделаны так, чтобы нести определенное значение тока. Сильный ток потенциально может ослабить дорожки на печатной плате.

Следовательно, чтобы минимизировать влияние пускового тока, важно обеспечить схему ограничителя пускового тока, в которой входная емкость очень велика или имеет большую индуктивность.

Как измерить пусковой ток:

Основная проблема измерения пускового тока - это короткий промежуток времени. Пусковой ток возникает в течение нескольких миллисекунд (или даже микросекунд) в зависимости от емкости нагрузки. Значение временного интервала обычно составляет 20-100 миллисекунд.

Самый простой способ - использовать специальные клещи, которые могут измерять пусковой ток. Измеритель срабатывает при высоком токе и берет несколько образцов, чтобы получить максимальный пусковой ток.

Другой метод - использование высокочастотного осциллографа, но этот процесс немного сложен. Необходимо использовать шунтирующий резистор очень низкого номинала и два канала для подключения через шунтирующий резистор. Используя разные функции этих двух пробников, можно получить максимальный пиковый ток. При подключении щупа GND необходимо соблюдать осторожность, неправильное подключение через резистор может привести к короткому замыканию. GND необходимо подключить к цепи GND. На изображении ниже представлен вышеупомянутый метод.

Факторы, которые следует учитывать при разработке схемы защиты от пускового тока:

Перед выбором метода ограничения пускового тока необходимо принять во внимание некоторые различные факторы и характеристики. Вот список нескольких основных параметров -

1. Значение емкости нагрузки

Емкость нагрузки является важным параметром для выбора схемы ограничения пускового тока. Высокая емкость требует высокого переходного тока во время запуска. В таком случае требуется эффективная схема плавного пуска.

2. Рейтинг установившегося тока

Установившийся ток - огромный фактор для эффективности ограничителя тока. Например, высокий установившийся ток может привести к повышению температуры и снижению эффективности, если используется метод ограничения резистора. Схема ограничения тока на основе NTC может быть выбором.

3. Время переключения

Скорость включения или выключения нагрузки в течение заданного периода времени - еще один параметр для выбора метода ограничения пускового тока. Например, если время включения / выключения очень быстрое, тогда NTC не сможет защитить цепь от пускового тока. Потому что после сброса первого цикла NTC не охлаждается, если цепь нагрузки выключается и включается за очень короткий промежуток времени. поэтому начальное пусковое сопротивление не может быть увеличено, и пусковой ток обходится через NTC.

4. Работа при низком напряжении и низком токе

В определенных случаях при проектировании схемы, если источник питания и нагрузка находятся внутри одной цепи, разумнее использовать регулятор напряжения или LDO с функцией плавного пуска для уменьшения пускового тока. В таком случае приложение представляет собой низковольтное слаботочное приложение.