Bemeneti áram - okai, hatásai, védelmi áramkörök és tervezési technikák

Az elektronikus áramkör tartóssága és megbízhatósága nagymértékben függ attól, hogy mennyire tervezték meg az összes esélyt figyelembe véve, ami gyakorlatilag akkor fordulhat elő, amikor a terméket ténylegesen használják. Különösen igaz ez az összes tápegységre, például az AC-DC átalakítókra vagy az SMPS áramkörökre, mivel közvetlenül csatlakoznak a váltakozó áramú hálózathoz és változó terheléssel, amely érzékeny a túlfeszültségekre, a feszültségcsúcsokra, a túlterhelésre stb. sokféle védelmi áramkört terveztek, már számos népszerű védelmi áramkörre kiterjedt

• Túlfeszültség védelem
• Túlfeszültség védelem
• Fordított polaritásvédelem
• Lövésvédelem

Korábban megvitattuk a bekapcsolási áramot, ebben a cikkben megvitatjuk, hogyan tervezzünk beáramló áramkorlátozó áramköröket, hogy megvédjük a tápegység terveit a beáramló áramoktól. Először meg fogjuk érteni, mi az a beáramló áram, és annak oka, hogy miért keletkezik. Ezután megvitatjuk a különféle áramköri kialakításokat, amelyek felhasználhatók a bekapcsolási áram megvédésére, és végül néhány tippet zárunk le, amelyek megvédik a készüléket a bekapcsolási áram ellen. Tehát kezdjük.

Mi az a beáramló áram?

Ahogy a neve is sugallja, a „bekapcsolási áram” kifejezés azt jelzi, hogy amikor a készüléket a kezdeti szakaszban bekapcsolják, hatalmas áram áramlik az áramkörbe. Definíció szerint meghatározható az elektromos eszköz által bekapcsolt állapotban felvett legnagyobb pillanatnyi bemeneti áram. Ez a viselkedés jól megfigyelhető olyan váltakozó áramú induktív terheléseknél, mint a transzformátorok és motorok, ahol a bekapcsolási áram értéke általában húsz vagy harmincszor nagyobb, mint a névleges érték. Annak ellenére, hogy a bekapcsolási áram értéke nagyon magas, csak néhány ezredmásodpercig vagy mikroszekundumig fordul elő, ezért méter nélkül nem lehet észrevenni. A bekapcsolási áramot nevezhetjük bemeneti túlfeszültségnek vagy bekapcsolási túlfeszültségnek isáram a kényelem alapján. Mivel ez a jelenség inkább váltakozó áramú terheléseknél jelentkezik, a váltakozó áramú áramellátás-korlátozót inkább használják, mint egyenáramú megfelelőjét.

Minden áramkör áramot vesz egy forrásból, az áramkör állapotától függően. Tegyünk fel egy olyan áramkört, amelynek három állapota van: az alapjárati, a normál és a maximális működési állapot. Tétlen állapotban az áramkör 1mA áramot vesz fel, normál üzemi állapotban az áramkör 500mA áramot vesz fel, és maximális üzemi állapotban 1000mA vagy 1A áramot. Ezért, ha az áramkör többnyire normál állapotban működik, akkor azt mondhatjuk, hogy 500mA az áramkör állandó állapotú árama, míg az 1A az áramkör által felvett csúcsáram.

Ez meglehetősen igaz, könnyen kezelhető és egyszerű matematika. De amint azt korábban elmondtuk, létezik egy másik állapot, ahol az áramkör által felvett áram 20 vagy akár 40-szer nagyobb lehet, mint az állandó állapotú áram. Ez az áramkör kezdeti állapota vagy teljesítménye. Miért húzza ezt a nagy áramot hirtelen az áramkör, mivel az alacsony áramú alkalmazáshoz van besorolva? Mint például az előző példa, 1 mA-től 1000 mA-ig.

Mi okozza a készülék bekapcsolási áramát?

A kérdések megválaszolásához be kell jutnunk az induktivitás és a motor tekercsek mágnesességébe, de kezdetben vegyük fontolóra, hogy ez olyan, mint egy hatalmas szekrény mozgatása vagy egy autó meghúzása, kezdetben nagy energiára van szükségünk, de ahogy a dolgok mozogni kezdenek, könnyebb. Pontosan ugyanaz történik egy áramkör belsejében. Szinte minden áramkör, különösen a tápegységek, nagy értékű kondenzátorokat és induktivitásokat, fojtókat és transzformátorokat (hatalmas induktivitást) használnak, amelyek mindegyike hatalmas kezdeti áramot von le a működésükhöz szükséges mágneses vagy elektromos tér kialakításához. Így az áramkör bemenete hirtelen alacsony ellenállású (impedancia) utat biztosít, amely lehetővé teszi az áram nagy értékének áramlását az áramkörbe.

A kondenzátorok és az induktorok másképp viselkednek, ha teljesen feltöltött vagy kisülési állapotban vannak. Például egy kondenzátor teljesen lemerült állapotban rövidzárlatként működik az alacsony impedancia miatt, míg egy teljesen feltöltött kondenzátor kisimítja az egyenáramot, ha szűrőkondenzátorként van csatlakoztatva. Ez azonban nagyon kis időtartamú; néhány ezredmásodperc alatt a kondenzátor feltöltődik. A kondenzátor ESR és ESL értékéről is olvashat, hogy jobban megértsük, hogyan működik egy áramkörben.

A másik oldalon a transzformátorok, motorok és induktivitások (az összes tekercshez kapcsolódó dolog) indításkor visszaküldi az emf-et, és töltési állapotban is nagyon nagy áramra van szükség. Általában kevés áramciklusra van szükség a bemeneti áram stabil állapotba stabilizálásához. Az induktor DCR értékéről is olvashat, hogy jobban megértsük, hogyan működnek az induktorok egy áramkörben.

A fenti képen egy aktuális / idő grafikon látható. A milliszekundumokban megadott idő, de ez mikroszekundumban is megadható. Az indítás során azonban az áram növekedni kezd, és a maximális csúcsáram 6A. Ez a bekapcsolási áram létezik nagyon rövid ideig. De a bekapcsolási áram után az áramáram stabil lesz, 5A vagy 500mA értéken. Ez az áramkör állandó állapotú árama.

Ezért amikor a bemeneti feszültséget a tápegységre alkalmazzák, vagy olyan áramkörben, amelynek nagyon nagy a kapacitása vagy induktivitása, vagy mindkettő, akkor bekapcsolási áram lép fel. Ez a beindulási áram grafikonon látható kezdeti áram nagyon megnő, hogy a bemeneti kapcsoló megolvadjon vagy felrobbanjon.

Bemeneti áram védelmi áramkörök - típusok

Számos módszer létezik eszközének megvédésére a bekapcsolási áram ellen, és különféle alkatrészek állnak rendelkezésre az áramkör megvédésére a bekapcsolási áramtól. Itt van a hatékony módszerek felsorolása a beáramló áram

Ellenálláskorlátozási módszer

Kétféle módon lehet kialakítani a bekapcsolási áramkorlátozót az ellenállás korlátozási módszerével. Az első egy soros ellenállást kell hozzáadni az áramáram csökkentéséhez az áramkörben, a másik pedig a vonalszűrő impedanciáját kell használni a váltakozó áramú táp bemenetében.

De ez a módszer nem hatékony módszer a nagy kimeneti áramkörön történő összeadásra. Az ok nyilvánvaló, mert magában foglalja az ellenállást. A bekapcsolási áramú ellenállás normál üzem közben felmelegszik, és csökkenti a hatékonyságot. Az ellenállás teljesítménye az alkalmazási követelményektől függ, általában 1W és 4W között mozog.

Termisztor vagy NTC alapú áramkorlátozó

A T hermisztor egy hőmérséklethez kapcsolt ellenállás, amely a hőmérséklet függvényében változtatja az ellenállást. Egy NTC beinduláskor az áramkorlátozó áramkör hasonló az ellenálláskorlátozó módszerhez, a bemenetel együtt sorban használják a termisztort vagy az NTC-t (negatív hőmérsékleti együttható).

A termisztorok megváltozott ellenállási értékekkel rendelkeznek különböző hőmérsékleteken, különösen alacsony hőmérsékleten. A termisztorok nagy értékű ellenállóként viselkednek, míg magas hőmérsékleten alacsony értékű ellenállást biztosítanak. Ez a tulajdonság az Inrush áramkorlátozó alkalmazáshoz használható.

Az áramkör első indításakor az NTC nagy értékű ellenállást biztosít, ami csökkenti a bekapcsolási áram áramlását. De amikor az áramkör egyensúlyi állapotba kerül, az NTC hőmérséklete növekszik, ami további alacsony ellenállást eredményezett. Az NTC nagyon hatékony módszer a bekapcsolási áram szabályozására.

Lágy indítás vagy késleltetés áramkör

Különböző típusú feszültségszabályozó DC / DC konverterek a lágyindítási vagy késleltetési áramkört használják a bekapcsolási áram hatásának csökkentésére. Az ilyen típusú funkcionalitás lehetővé teszi számunkra a kimeneti emelkedési idő megváltoztatását, amely hatékonyan csökkenti a kimeneti áramot, ha nagy értékű kapacitív terheléshez kapcsolódunk.

Például a Texas Instruments 1.5A Ultra-LDO TPS742 programozható soft-start tűt kínál, ahol a felhasználó egy egyszerű külső kondenzátor segítségével konfigurálhatja a lineáris indítást. Az alábbi kapcsolási rajzon a TPS742 példa áramköre látható, ahol a lágyindítási idő konfigurálható az SS tű segítségével a CSS kondenzátor segítségével.

Hol és miért kell figyelembe vennünk a bekapcsolási áram védelmi áramkört?

Amint azt korábban említettük, az áramkör, ahol nagy értékű kapacitás vagy induktivitás létezik, bekapcsolási áram-védelmi áramkörre van szükség. A bekapcsolási áramkör stabilizálja a nagy áramigényt az áramkör kezdeti kezdeti szakaszában. A bekapcsolási áramkorlátozó áramkör korlátozza a bemeneti áramot, és biztonságosabbá teszi a forrást és a gazdagépet. Mivel a nagy bekapcsolási áram növeli az áramkör meghibásodásának esélyét, és ezt el kell utasítani. A bekapcsolási áram a következő okok miatt káros:

1. A nagy bekapcsolási áram befolyásolja a forrás tápellátását.
2. Gyakran a nagy bekapcsolási áram csökkenti a forrásfeszültséget, és a mikrovezérlő-alapú áramköröknél leállási hibát eredményez.
3. Néhány esetben az áramkörbe juttatott áram mennyisége meghaladja a terhelési kör elfogadható maximális feszültségét, maradandó károsodást okozva a terhelésben.
4. Nagyfeszültségű váltakozó áramú motoroknál a nagy bekapcsolási áram miatt a hálózati kapcsoló kiold vagy néha kiég.
5. A NYÁK-kártya nyomai az áram meghatározott értékének hordozására szolgálnak. A nagy áram potenciálisan gyengítheti a NYÁK-lemez nyomait.

Ezért a bekapcsolási áram hatásának minimalizálása érdekében fontos olyan bekapcsolási áramkorlátozó áramkört biztosítani, ahol a bemeneti kapacitás nagyon magas vagy nagy az induktivitása.

Az Inrush áram mérése:

A bekapcsolási áram mérésének fő kihívása a gyors időtartam. A bekapcsolási áram néhány milliszekundumig (vagy akár mikroszekundumig) jelentkezik a terhelési kapacitás függvényében. Az időtartam értéke általában 20-100 milliszekundumtól tér el.

Az egyik legegyszerűbb módszer a dedikált bilincsmérő használata, amelynek lehetősége van a bekapcsolási áram mérésére. A mérőt a nagy áram váltja ki, és több mintát vesz a maximális bekapcsolási áram eléréséhez.

Egy másik módszer nagyfrekvenciás oszcilloszkóp használata, de ez a folyamat kissé trükkös. Nagyon alacsony értékű söntellenállást kell használni, és két csatornára van szükség a söntellenálláson való összeköttetéshez. Ennek a két szondának a különböző funkcióinak használatával meg lehet kapni a maximális csúcsáramot. Óvatosnak kell lenni a GND szonda csatlakoztatása közben, az ellenálláson lévő rossz csatlakozás rövidzárlathoz vezethet. A GND-t át kell kötni a GND áramkörön. Az alábbi kép a fent említett technika ábrázolása.

Az indítóáram-védelmi áramkör megtervezésekor figyelembe veendő tényezők:

Néhány különböző tényezőre és specifikációra van szükség, amelyeket figyelembe kell venni a bekapcsolási áramkorlátozó módszer kiválasztása előtt. Íme néhány alapvető paraméter -

1. A terhelés kapacitási értéke

A terhelés kapacitása elengedhetetlen paraméter a bekapcsolási áramkorlátozó áramkör specifikációjának kiválasztásához. A nagy kapacitás indításkor nagy tranziens áramot igényel. Ilyen esetben hatékony lágyindító áramkörre van szükség.

2. Állandó állapotú jelenlegi minősítés

Az állandó állapotú áram hatalmas tényező az áramkorlátozó hatékonyságában. Például a nagy állandó állapotú áram emelkedett hőmérséklethez és gyenge hatékonysághoz vezethet, ha az ellenállás határértékét alkalmazzák. Az NTC alapú áramkorlátozó áramkör választható.

3. Kapcsolási idő

A beáramló áramkorlátozási módszer kiválasztásának másik paramétere, hogy a terhelés mennyire gyorsan be- vagy kikapcsol egy adott időkereten belül. Például, ha a be- / kikapcsolási idő nagyon gyors, akkor az NTC nem tudta megvédeni az áramkört a bekapcsolási áramtól. Mivel az első ciklus nullázása után az NTC nem hűl le, ha a terhelő áramkört nagyon rövid idő alatt kikapcsolják és bekapcsolják. ezért a kezdeti ellenállást nem lehetett növelni, és a bekapcsolási áram megkerülhető az NTC-n keresztül.

4. Kisfeszültségű és alacsony áramú működés

Bizonyos esetekben az áramköri tervezés során, ha az áramforrás és a terhelés ugyanazon az áramkörön belül van, bölcsebb a feszültségszabályozót vagy a lágyindítással rendelkező LDO-kat használni a bekapcsolási áram csökkentésére. Ilyen esetben az alkalmazás kisfeszültségű kisáramú alkalmazás.