Пусков ток - причини, ефекти, защитни вериги и техники за проектиране

Трайността и надеждността на електронната схема силно зависят от това колко добре е проектирана, като се вземат предвид всички шансове, които на практика могат да възникнат, когато продуктът действително се използва. Това важи особено за всички захранващи блокове като AC-DC преобразуватели или SMPS схеми, тъй като те са свързани директно към AC мрежата и различно натоварване, което ги прави податливи на пренапрежения, скокове на напрежение, претоварване и т.н. Ето защо дизайнерите включват много видове защитни схеми в техния дизайн, ние вече обхванахме много популярни защитни вериги, а именно

Защита от пренапрежение
Защита от пренапрежение
Защита от обратна полярност
Защита от изстрел

По-рано обсъждахме пусков ток, в тази статия ще обсъдим как да проектираме вериги за ограничител на пусковия ток, за да защитим вашите проекти на захранване от пускови токове. Първо ще разберем какво представлява пусковият ток и причината, поради която се генерира. След това ще обсъдим различните видове дизайн на веригата, които могат да се използват за защита на пусковия ток и накрая ще завършим с няколко съвета за защита на вашето устройство срещу пусковия ток. И така, нека започнем.

Какво е пусков ток?

Както подсказва името, терминът „пусков ток“ показва, че когато дадено устройство е включено по време на началния етап, огромно количество ток се влива във веригата. По дефиниция може да се дефинира като максимален моментен входящ ток, изтеглен от електрическо устройство, когато е включено. Това поведение може да се наблюдава добре при индуктивни натоварвания с променлив ток като трансформатори и двигатели, където стойността на пусковия ток обикновено ще бъде двадесет или тридесет пъти повече от номиналните стойности. Въпреки че стойността на пусковия ток е много висока, тя се появява само за няколко милисекунди или микросекунди, поради което не може да бъде забелязана без измервателен уред. Пусковият ток може също да се нарече входен токов удар или пренапрежение при включванеток въз основа на удобство. Тъй като това явление е по-скоро при натоварвания с променлив ток, ограничителят на променлив ток е по-използван от неговия аналог за постоянен ток.

Всяка верига черпи ток от източник в зависимост от състоянието на веригата. Нека приемем верига, която има три състояния, това е състояние на празен ход, нормално работно състояние и максимално работно състояние. В състояние на празен ход веригата изтегля 1mA ток, в нормално работно състояние веригата изтегля 500mA ток и в максимално работно състояние може да изтегли 1000mA или 1A ток. Следователно, ако веригата работи предимно в нормално състояние, можем да кажем, че 500 mA е постоянен ток за веригата, докато 1A е пиковият ток, изтеглен от веригата.

Това е доста вярно, лесно за работа и проста математика. Но, както беше казано по-рано, съществува друго състояние, при което токът, изтеглен от веригата, може да бъде 20 или дори 40 пъти по-голям от тока в стационарно състояние. Това е първоначалното състояние или мощност на етапа на веригата. Сега, защо този висок ток изведнъж се изтегля от веригата, тъй като е оценен за приложение с нисък ток? Като например в предишния пример, 1mA до 1000mA.

Какво причинява Inrush Current в устройство?

За да отговорим на въпросите, трябва да влезем в магнетиката на индукторните и моторните намотки, но за да започнем, нека разгледаме това, все едно да движим огромен шкаф или да дърпаме кола, първоначално се нуждаем от висока енергия, но тъй като нещата започват да се движат, стана по-лесно. Абсолютно същото се случва и във верига. Почти всяка верига, особено захранванията, използва кондензатори и индуктори с голяма стойност, дросели и трансформатори (огромен индуктор), всички от които черпят огромен първоначален ток, за да развият магнитното или електрическото поле, необходимо за тяхната работа. По този начин входът на веригата внезапно осигурява тракт с ниско съпротивление (импеданс), който позволява голяма стойност на тока да тече във веригата.

Кондензаторите и индукторите се държат различно, когато са в напълно заредено състояние или състояние на разреждане. Например кондензатор, когато е в напълно разредено състояние, действа като късо съединение поради ниския импеданс, докато напълно зареден кондензатор изглажда постояннотока, ако е свързан като филтриращ кондензатор. Това обаче е много малък период от време; за няколко милисекунди кондензаторът се зарежда. Можете също така да прочетете за ESR и ESL стойностите на кондензатор, за да разберете по-добре как работи във верига.

От друга страна, трансформаторите, двигателите и индукторите (всички свързани с бобини неща) генерират обратно EMF по време на стартиране, също така изискват много висок ток по време на зареждане. Обикновено са необходими няколко токови цикъла за стабилизиране на входния ток до стабилно състояние. Можете също да прочетете за стойността на DCR в индуктора, за да разберете по-добре как работят индукторите във верига.

На горното изображение е показана графика на текущия спрямо времето. Показаното време в милисекунди, но това може да бъде и в микросекунди. По време на стартирането обаче текущият старт се увеличава и максималният пиков ток е 6А. Това е пусковият ток, който съществува за много кратък период от време. Но след пусковия ток, текущият поток става стабилен при стойност от.5A или в 500mA. Това е стационарният ток на веригата.

Следователно, когато входното напрежение е приложено към захранването или във верига, която има много висок капацитет или индуктивност или и двете, възниква пусков ток. Този първоначален ток, както е показано на графиката на пусковия ток, става много висок, за да предизвика топене или издухване на входния превключвател.

Защитни вериги на пусковия ток - типове

Има много методи за защита на вашето устройство от пусков ток и са налични различни компоненти за защита на веригата от пусков ток. Ето списъка с ефективни методи за преодоляване на пусковия ток-

Метод за ограничаване на резистора

Има два начина за проектиране на ограничител на пусковия ток, използвайки метода на резисторните граници. Първият е да добавите сериен резистор, за да намалите текущия поток във веригата, а другият е да използвате импеданс на линейния филтър във входа за променлив ток.

Но този метод не е ефективен начин за добавяне през верига с висок изходен ток. Причината е очевидна, защото включва съпротива. В пусков ток резистор получава загрява по време на нормална работа и намалява ефективността. Мощността на резистора зависи от изискванията за приложение, обикновено варира между 1W и 4W.

Термистор или ограничител на тока въз основа на NTC

T хермисторът е терморезистор, който променя съпротивлението в зависимост от температурата. При пускане на NTC веригата на ограничителя на тока е подобна на метода за ограничаване на резистора, термисторът или NTC (отрицателен температурен коефициент) също се използват последователно с входа.

Термисторите имат характеристики на променена стойност на съпротивлението при различни температури, по-специално при ниска температура Термисторът се държи като резистор с висока стойност, докато при високи температури той осигурява устойчивост с ниска стойност. Това свойство се използва за приложението за ограничаване на тока Inrush.

По време на първоначалното стартиране на веригата NTC осигурява висока стойност на съпротивление, което намалява потока на пусковия ток. Но докато веригата преминава в стабилно състояние, температурата на NTC започва да се увеличава, което допълнително води до ниско съпротивление. NTC е много ефективен метод за управление на пусковия ток.

Мека верига за стартиране или забавяне

Различен тип преобразуватели на постоянен / постоянен ток на регулатора на напрежение използва веригата за плавен старт или забавяне за намаляване на ефекта на пусковия ток. Такъв тип функционалност ни позволява да променим времето за нарастване на изхода, което ефективно намалява изходния ток, когато е свързан към капацитивен товар с висока стойност.

Например 1.5A Ultra-LDO TPS742 от Texas Instruments предлага програмируем щифт за плавно стартиране, където потребителят може да конфигурира Linear Start Up с помощта на обикновен външен кондензатор. В схемата по-долу е показана примерна схема на TPS742, където времето за плавен старт се конфигурира с помощта на SS щифта с помощта на CSS кондензатор.

Къде и защо трябва да обмислим верига за защита от пускови токове?

Както беше обсъдено по-горе, за веригата, където има капацитет или индуктивност с висока стойност, е необходима схема за защита от пусков ток. Веригата на пусковия ток стабилизира изискването за висок ток в началния стартиращ етап на веригата. Верига на ограничител на пусковия ток ограничава входния ток и поддържа източника и хост устройството по-безопасни. Тъй като високият пусков ток увеличава шансовете за повреда на веригата и това трябва да бъде отхвърлено. Пусковият ток е вреден поради следните причини -

Високият пусков ток влияе на захранването на източника.
Често високият пусков ток пада напрежението на източника и води до нулиране на нулирането на схеми, базирани на микроконтролер.
В няколко случая количеството ток, подаван към веригата, надхвърля приемливото максимално напрежение на веригата на товара, причинявайки трайно увреждане на товара.
При двигатели с променливотоково напрежение с високо напрежение високият пусков ток води до изключване на превключвателя на захранването или понякога изгаряне.
Следите на платката на печатни платки са направени да носят определена стойност на тока. Силният ток може потенциално да отслаби следите от платката на печатни платки.

Следователно, за да се сведе до минимум ефектът от пусковия ток, е важно да се осигури верига за ограничител на пусковия ток, където входният капацитет е много висок или има голяма индуктивност.

Как се измерва пусковият ток:

Основното предизвикателство при измерването на пусковия ток е бързият интервал от време. Пусковият ток се появява за няколко милисекунди (или дори микросекунди) в зависимост от капацитета на товара. Стойността на интервала от време обикновено се различава от 20-100 милисекунди.

Най-лесният начин е да се използва специалният измервателен уред, който има възможност за измерване на пусковия ток. Уредът се задейства от силния ток и взема множество проби, за да получи максималния пусков ток.

Друг метод е да се използва високочестотен осцилоскоп, но този процес е малко сложен. Трябва да се използва шунтиращ резистор с много ниска стойност и се изискват два канала за свързване през шунтиращия резистор. Чрез използването на различните функции на тези две сонди може да се получи максималният пиков ток. Трябва да се внимава, докато се свързва сондата GND, грешната връзка през резистора може да доведе до късо съединение. GND трябва да бъде свързан през веригата GND. Изображението по-долу е представяне на гореспоменатата техника.

Фактори, които трябва да се вземат предвид при проектирането на верига за защита от пусков ток:

Необходими са някои различни фактори и спецификации, които да бъдат взети предвид, преди да изберете метод за ограничаване на пусковия ток. Ето списък с няколко основни параметъра -

1. Стойността на капацитета на товара

Капацитетът на товара е основен параметър за избор на спецификацията на веригата за ограничаване на пусковия ток. Високият капацитет изисква висок преходен ток по време на стартиране. В такъв случай се изисква ефективна схема за плавен старт.

2. Стационарен ток

Стационарният ток е огромен фактор за ефективността на ограничителя на тока. Например, високият стационарен ток може да доведе до повишена температура и лоша ефективност, ако се използва методът за ограничаване на резистора. NTC базирана верига за ограничаване на тока може да бъде избор.

3. Време за превключване

Колко бързо натоварването се включва или изключва през даден период от време е друг параметър за избор на метод за ограничаване на пусковия ток. Например, ако времето за включване / изключване е много бързо, тогава NTC не може да защити веригата от пусковия ток. Тъй като след първоначално нулиране на NTC NTC не се охлажда, ако веригата на натоварване е изключена и включена за много кратък период от време. следователно първоначалното съпротивление при стартиране не може да бъде увеличено и пусковият ток се преодолява през NTC.

4. Ниско напрежение и работа с нисък ток

В конкретни случаи, по време на проектирането на веригата, ако източникът на захранване и натоварването съществуват в същата верига, по-разумно е да използвате регулатор на напрежение или LDO с устройство за плавен старт, за да намалите пусковия ток. В такъв случай приложението е приложение с ниско напрежение с ниско напрежение.