Vklopni tok - vzroki, učinki, zaščitni tokokrogi in tehnike oblikovanja

Trajnost in zanesljivost elektronskega vezja sta zelo odvisna od tega, kako dobro je zasnovan ob upoštevanju vseh verjetnosti, ki bi se lahko praktično pojavile, ko je izdelek dejansko v uporabi. To še posebej velja za vse napajalne enote, kot so pretvorniki AC-DC ali vezja SMPS, ker so priključeni neposredno na omrežje AC in različno obremenitev, zaradi česar so dovzetni za prenapetosti, napetostne skoke, preobremenitve itd. veliko vrst zaščitnih vezij v njihovi zasnovi smo že zajeli veliko priljubljenih zaščitnih vezij

• Zaščita pred prenapetostjo
• Prenapetostna zaščita
• Zaščita obrnjene polarnosti
• Zaščita pred udarci

Prej smo že razpravljali o vklopnem toku, v tem članku bomo razpravljali o tem, kako oblikovati vezja omejevalnika vklopnega toka, da zaščitimo vaše zasnove napajalnikov pred vklopnimi tokovi. Najprej bomo razumeli, kaj je vklopni tok in razlog, zakaj je ustvarjen. Nato bomo razpravljali o različnih vrstah načrtovanja vezij, ki jih lahko uporabimo za zaščito vklopnega toka, in na koncu zaključili z nekaj nasveti za zaščito naprave pred vklopnim tokom. Torej, začnimo.

Kaj je Inrush Current?

Kot že ime pove, izraz "vklopni tok" pomeni, da ko se naprava vklopi v začetni fazi, v tokokrog prihaja velika količina toka. Po definiciji ga lahko definiramo kot največji trenutni vhodni tok, ki ga vklopi električna naprava, ko je vklopljena. To vedenje je mogoče dobro opaziti pri induktivnih obremenitvah z izmeničnim tokom, kot so transformatorji in motorji, kjer bo vrednost sprožitvenega toka običajno dvajset ali tridesetkrat večja od nominalnih vrednosti. Čeprav je vrednost vklopnega toka zelo visoka, se pojavi le nekaj milisekund ali mikrosekund, zato je brez merilnika ni mogoče opaziti. Vklopni tok lahko imenujemo tudi vhodni prenapetostni tok ali vklopni prenapetosttok glede na udobje. Ker je ta pojav bolj primeren pri izmeničnih obremenitvah, je omejevalnik izmeničnega toka bolj uporabljen kot njegov enosmerni tok.

Vsako vezje črpa tok iz vira, odvisno od stanja vezja. Predpostavimo, da ima vezje tri stanja, to je stanje mirovanja, normalno delovno stanje in največje delovno stanje. V prostem teku upoštevajte, da vezje črpa 1mA toka, v običajnem delovnem stanju pa vezje 500mA toka, v največjem delovnem stanju pa lahko 1000mA ali 1A toka. Če torej vezje večinoma deluje v normalnem stanju, lahko rečemo, da je 500mA tok v stanju dinamičnega ravnovesja za tokokrog, medtem ko je 1A največji tok, ki ga vleče vezje.

To je dokaj res, z njim je enostavno delati in preprosto matematiko. Kot že rečeno, obstaja še eno stanje, kjer je tok, ki ga vleče vezje, lahko 20 ali celo 40-krat večji od ustaljenega toka. To je začetno stanje ali moč na stopnji vezja. Zakaj vezje nenadoma potegne ta visok tok, ker je ocenjen za uporabo z nizkim tokom? Kot je prejšnji primer, od 1 mA do 1000 mA.

Kaj povzroča vklopni tok v napravi?

Da bi odgovorili na vprašanja, moramo vstopiti v magnetnost tuljav induktorja in motorja, vendar za začetek razmislimo o tem, kot da bi premikali veliko omarico ali vlekli avto, sprva potrebujemo veliko energije, toda ko se stvari začnejo premikati, je postalo lažje. Popolnoma enako se zgodi znotraj vezja. Skoraj vsako vezje, zlasti napajalniki, uporablja kondenzatorje in induktorje, dušilke in transformatorje (velik induktor) velike vrednosti, ki vseskozi pritegnejo velik začetni tok za razvoj magnetnega ali električnega polja, potrebnega za njihovo delovanje. Tako vhod vezja nenadoma zagotovi pot z majhnim uporom (impedanco), ki omogoča, da v tokokrog teče velika vrednost toka.

Kondenzatorji in induktorji se obnašajo drugače, ko so v popolnoma napolnjenem stanju ali stanju praznjenja. Na primer, kondenzator, ko je v popolnoma praznjenem stanju, deluje kot kratek stik zaradi nizke impedance, medtem ko popolnoma napolnjen kondenzator gladi enosmerni tok, če je priključen kot filtrirni kondenzator. Vendar je to zelo majhen čas; v nekaj milisekundah se kondenzator napolni. Prav tako lahko preberete o vrednostih ESR in ESL kondenzatorja, da boste bolje razumeli, kako deluje v vezju.

Na drugi strani pa transformatorji, motorji in induktorji (vse povezane z tuljavami) med zagonom ustvarijo nazaj EMF, med polnjenjem pa potrebujejo tudi zelo visok tok. Običajno je za stabilizacijo vhodnega toka v ustaljeno stanje potrebno nekaj tokovnih ciklov. Prav tako lahko preberete o vrednosti DCR v induktorju, da bolje razumete, kako induktorji delujejo v vezju.

Na zgornji sliki je prikazan graf trenutnega časa. Čas, prikazan v milisekundah, lahko pa tudi v mikrosekundah. Med zagonom pa se trenutni zagon poveča in največji maksimalni tok je 6A. Začetni tok obstaja zelo kratek čas. Toda po vklopnem toku postane trenutni tok stabilen pri vrednosti 0,5 A ali 500 mA. To je stacionarni tok vezja.

Ko pride vhodna napetost na napajalnik ali v vezje z zelo visoko kapacitivnostjo ali induktivnostjo ali oboje, pride do vklopnega toka. Ta začetni tok, kot je prikazano na grafu vstopnega toka, postane zelo visok, da povzroči, da se vhodno stikalo stopi ali raznese.

Zaščitni tokokrogi z vklopnim tokom - vrste

Obstaja veliko načinov za zaščito naprave pred vklopnim tokom, na voljo pa so različne komponente za zaščito vezja pred vklopnim tokom. Tu je seznam učinkovitih metod za premagovanje vstopnega toka -

Metoda omejitve upora

Obstajata dva načina za načrtovanje omejevalnika sprožitvenega toka z uporabo metode omejitve upora. Prvi je dodati serijski upor za zmanjšanje tokovnega toka v liniji vezja, drugi pa uporabiti impedanco linijskega filtra v vhodu AC napajanja.

Toda ta metoda ni učinkovit način za dodajanje prek tokokroga z visokim izhodnim tokom. Razlog je očiten, ker vključuje odpor. Vklopni tok upor postane segreje med normalnim delovanjem in zmanjšuje učinkovitost. Moč upora je odvisna od zahtev glede uporabe, običajno je med 1W in 4W.

Termistor ali omejevalnik toka na osnovi NTC

Hermistor T je temperaturno povezan upor, ki spreminja upor glede na temperaturo. V NTC vklopnem tokokrogu je omejevalnik toka podoben načinu omejevanja upora, termistor ali NTC (negativni temperaturni koeficient) se uporablja zaporedno z vhodom.

Termistorji imajo značilnosti spremenjene vrednosti upora pri različnih temperaturah, natančneje pri nizkih temperaturah se termistor obnaša kot upor visoke vrednosti, medtem ko pri visokih temperaturah zagotavlja odpornost nizke vrednosti. Ta lastnost se uporablja za aplikacijo omejevanja toka Inrush.

Med začetnim zagonom vezja NTC zagotavlja visokokakovostno upornost, ki zmanjša pretok vklopnega toka. Toda med prehodom tokokroga v stanje dinamičnega ravnovesja se temperatura NTC začne povečevati, kar je nadalje povzročilo nizek upor. NTC je zelo učinkovita metoda nadzora vklopnega toka.

Vezje mehkega zagona ali zakasnitve

Različni tipi DC / DC pretvornikov napetostnega regulatorja uporabljajo mehanski vklop ali zakasnitev za zmanjšanje učinka vklopnega toka. Takšna funkcionalnost nam omogoča, da spremenimo čas naraščanja izhoda, kar učinkovito zmanjša izhodni tok, ko je priključen na visokokakovostno kapacitivno obremenitev.

Na primer, 1.5A Ultra-LDO TPS742 podjetja Texas Instruments ponuja programabilni zatič z mehkim zagonom, kjer lahko uporabnik konfigurira linearni zagon s preprostim zunanjim kondenzatorjem. V spodnjem vezju je prikazan primer vezja TPS742, kjer je čas mehkega zagona nastavljiv s pomočjo SS-zatiča s pomočjo kondenzatorja CSS.

Kje in zakaj moramo razmisliti o zaščitnem tokokrogu vklopnega toka?

Kot smo že omenili, je za vezje, kjer obstaja visokokakovostna kapacitivnost ali induktivnost, potrebno zaščitno vezje proti vklopnemu toku. Tokokrog vklopnega toka stabilizira potrebe po visokem toku v začetni fazi zagona vezja. Vezje omejevalnika vklopnega toka omejuje vhodni tok in ohranja vir in gostiteljsko napravo varnejši. Ker visok vklopni tok povečuje možnosti okvare vezja in ga je treba zavrniti. Vklopni tok je škodljiv iz naslednjih razlogov -

1. Visok vklopni tok vpliva na napajanje vira.
2. Pogosto visok vklopni tok pade na napetost vira in povzroči ponastavitev za verigo, ki temelji na mikrokrmilniku.
3. V nekaj primerih količina toka, ki se dovaja v vezje, preseže sprejemljivo največjo napetost tovornega tokokroga, kar povzroči trajne poškodbe tovora.
4. V visokonapetostnih AC motorjih visok vklopni tok povzroči, da se stikalo za vklop izklopi ali včasih izgore.
5. Sledi plošče PCB so narejene tako, da nosijo določeno vrednost toka. Visok tok lahko potencialno oslabi sledi plošče PCB.

Zato je za zmanjšanje učinka vklopnega toka pomembno zagotoviti omejevalno vezje vklopnega toka, kjer je vhodna kapacitivnost zelo velika ali ima veliko induktivnost.

Kako izmeriti vklopni tok:

Glavni izziv merjenja vklopnega toka je hiter časovni razpon. Vklopni tok se pojavi nekaj milisekund (ali celo mikrosekund), odvisno od nosilnosti. Vrednost časovnega razpona se običajno razlikuje od 20 do 100 milisekund.

Eden najlažjih načinov je uporaba posebnega merilnika vpenjala, ki ima možnost merjenja vklopnega toka. Merilnik sproži močan tok in vzame več vzorcev, da dobi največji vklopni tok.

Druga metoda je uporaba visokofrekvenčnega osciloskopa, vendar je ta postopek nekoliko zapleten. Treba je uporabiti zelo uporni ranžirni upor z nizko vrednostjo in potrebujeta dva kanala za povezavo čez ranžilni upor. Z uporabo različnih funkcij teh dveh sond lahko dobimo največji maksimalni tok. Pri priključitvi sonde GND je treba biti previden, napačna povezava preko upora lahko privede do kratkega stika. GND mora biti povezan prek vezja GND. Spodnja slika predstavlja predstavitev zgoraj omenjene tehnike.

Dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju tokokroga za zaščito pred vklopom:

Pred izbiro metode omejevanja sprožitvenega toka je treba upoštevati nekaj različnih dejavnikov in specifikacij. Tu je seznam nekaj bistvenih parametrov -

1. Vrednost kapacitivnosti obremenitve

Kapaciteta obremenitve je bistveni parameter za izbiro specifikacije omejevalnega tokokroga. Velika kapacitivnost zahteva velik prehodni tok med zagonom. V takem primeru je potrebno učinkovito vezje mehkega zagona.

2. Trenutna ocena v stanju dinamičnega ravnovesja

Stacionarni tok je velik dejavnik za učinkovitost omejevalnika toka. Na primer, visok ustaljeni tok lahko povzroči zvišanje temperature in slabo učinkovitost, če se uporablja metoda meje upora. Tokokrog omejevalnik toka, ki temelji na NTC, je lahko izbira.

3. Čas preklopa

Kako hitro se obremenitev vklopi ali izklopi v določenem časovnem okviru, je še en parameter za izbiro metode omejevanja vklopnega toka. Če je na primer čas vklopa / izklopa zelo hiter, NTC vezja ne more zaščititi pred vklopnim tokom. Ker se po prvi ponastavitvi cikla NTC ne ohladi, če je tokokrog izklopljen in vklopljen v zelo kratkem času. zato začetne upornosti pri zagonu ni bilo mogoče povečati in se sprožilni tok obide skozi NTC.

4. Nizkonapetostno in nizkotokovno delovanje

V posebnih primerih je med načrtovanjem vezja, če vir energije in obremenitev obstajata znotraj istega vezja, pametneje uporabiti regulator napetosti ali LDO z mehkim zagonom, da zmanjšate vklopni tok. V takem primeru je aplikacija nizkonapetostna nizkonapetostna aplikacija.