- Co to jest prąd rozruchowy?
- Co powoduje prąd rozruchowy w urządzeniu?
- Obwody zabezpieczające przed prądem rozruchowym - rodzaje
- Obwód łagodnego startu lub opóźnienia
- Gdzie i dlaczego powinniśmy wziąć pod uwagę obwód zabezpieczający przed prądem rozruchowym?
- Jak mierzyć prąd rozruchowy:
- Czynniki do rozważenia podczas projektowania obwodu zabezpieczającego przed prądem rozruchowym:
Trwałość i niezawodność obwodu elektronicznego w dużym stopniu zależy od tego, jak dobrze został on zaprojektowany, biorąc pod uwagę wszelkie szanse, które mogą wystąpić w praktyce, gdy produkt jest faktycznie używany. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku wszystkich zasilaczy, takich jak przetwornice AC-DC lub obwody SMPS, ponieważ są one podłączone bezpośrednio do sieci prądu przemiennego i zmiennego obciążenia, co czyni je podatnymi na przepięcia, skoki napięcia, przeciążenia itp. Dlatego projektanci uwzględniają wiele rodzajów obwodów zabezpieczających w ich projektowaniu omówiliśmy już wiele popularnych obwodów zabezpieczających, a mianowicie
- Ochrona przed wysokim napięciem
- Ochrona przed nadmiernym prądem
- Ochrona przed odwrotną polaryzacją
- Ochrona przed zwarciem
Wcześniej omawialiśmy prąd rozruchowy, w tym artykule omówimy, jak zaprojektować obwody ogranicznika prądu rozruchowego, aby chronić projekty zasilaczy przed prądami rozruchowymi. Najpierw zrozumiemy, czym jest prąd rozruchowy i dlaczego jest generowany. Następnie omówimy różne typy konstrukcji obwodów, które można wykorzystać do ochrony prądu rozruchowego, a na koniec omówimy kilka wskazówek dotyczących ochrony urządzenia przed prądem rozruchowym. Więc zacznijmy.
Co to jest prąd rozruchowy?
Jak sama nazwa wskazuje, termin „prąd rozruchowy” wskazuje, że gdy urządzenie jest włączane na początkowym etapie, do obwodu dostaje się ogromna ilość prądu. Z definicji można go zdefiniować jako maksymalny chwilowy prąd wejściowy pobierany przez urządzenie elektryczne, gdy jest ono włączone. Takie zachowanie można dobrze zaobserwować w przypadku obciążeń indukcyjnych prądu przemiennego, takich jak transformatory i silniki, w przypadku których wartość prądu rozruchowego będzie zwykle dwudziesto lub trzydziestokrotnie większa niż wartości nominalne. Chociaż wartość prądu rozruchowego jest bardzo duża, występuje tylko przez kilka milisekund lub mikrosekund, dlatego nie można go zauważyć bez miernika. Prąd rozruchowy można również nazwać jako prąd udarowy na wejściu lub udar przy włączaniuprąd oparty na wygodzie. Ponieważ zjawisko to występuje częściej w przypadku obciążeń AC, ogranicznik prądu rozruchowego AC jest częściej używany niż jego odpowiednik DC.
Każdy obwód pobiera prąd ze źródła w zależności od stanu obwodu. Załóżmy, że obwód ma trzy stany, tj. Stan spoczynku, normalny stan pracy i maksymalny stan pracy. W stanie spoczynku obwód pobiera prąd o wartości 1 mA, w normalnym stanie pracy obwód pobiera prąd o wartości 500 mA, aw stanie maksymalnym może pobierać prąd o natężeniu 1000 mA lub 1 A. Dlatego, jeśli obwód działa głównie w stanie normalnym, możemy powiedzieć, że 500 mA to prąd w stanie ustalonym obwodu, a 1 A to prąd szczytowy pobierany przez obwód.
To prawda, łatwa w obsłudze i prosta matematyka. Ale, jak powiedziano wcześniej, istnieje inny stan, w którym prąd pobierany przez obwód może być 20 lub nawet 40 razy większy niż prąd w stanie ustalonym. Jest to stan początkowy lub moc na etapie obwodu. Dlaczego więc ten wysoki prąd jest nagle pobierany przez obwód, ponieważ jest on przeznaczony do zastosowań niskoprądowych? Tak jak w poprzednim przykładzie, 1 mA do 1000 mA.
Co powoduje prąd rozruchowy w urządzeniu?
Aby odpowiedzieć na pytania, musimy zagłębić się w magnetykę cewek cewki indukcyjnej i silnika, ale aby rozpocząć, zastanówmy się, jak poruszać wielką szafkę lub ciągnąć samochód, początkowo potrzebujemy dużej energii, ale gdy rzeczy zaczęły się poruszać, łatwiej. Dokładnie to samo dzieje się w obwodzie. Prawie każdy obwód, zwłaszcza zasilacze, wykorzystuje kondensatory i cewki indukcyjne o dużej wartości, dławiki i transformatory (ogromna cewka indukcyjna), z których wszystkie pobierają ogromny prąd początkowy, aby wytworzyć pole magnetyczne lub elektryczne wymagane do ich działania. W ten sposób wejście obwodu nagle zapewnia ścieżkę o niskiej rezystancji (impedancji), która umożliwia przepływ dużej wartości prądu do obwodu.
Kondensatory i cewki zachowują się inaczej, gdy są w stanie pełnego naładowania lub rozładowania. Na przykład kondensator, gdy jest w stanie całkowitego rozładowania, działa jako zwarcie z powodu niskiej impedancji, podczas gdy w pełni naładowany kondensator wygładza prąd stały, jeśli jest podłączony jako kondensator filtrujący. Jednak jest to bardzo krótki okres; w ciągu kilku milisekund kondensator zostaje naładowany. Możesz również przeczytać o wartościach ESR i ESL kondensatora, aby lepiej zrozumieć, jak działa on w obwodzie.
Z drugiej strony transformatory, silniki i cewki indukcyjne (wszystkie związane z cewkami) generują zwrotne emf podczas rozruchu, wymagają również bardzo dużego prądu podczas stanu ładowania. Zwykle potrzeba kilku cykli prądu, aby ustabilizować prąd wejściowy do stanu ustalonego. Możesz również przeczytać o wartości DCR w cewce, aby lepiej zrozumieć, jak działają cewki w obwodzie.
Na powyższym obrazku pokazano wykres prądu w funkcji czasu. Czas pokazywany w milisekundach, ale może to być również mikrosekund. Jednak podczas rozruchu prąd zaczyna rosnąć, a maksymalny prąd szczytowy wynosi 6A. Jest to prąd rozruchowy, który istnieje przez bardzo krótki okres czasu. Ale po prądzie rozruchowym przepływ prądu stabilizuje się przy wartości 0,5 A lub 500 mA. Jest to prąd w stanie ustalonym obwodu.
Dlatego też, gdy napięcie wejściowe jest przyłożone do zasilacza lub w obwodzie, który ma bardzo dużą pojemność lub indukcyjność, lub jedno i drugie, występuje prąd rozruchowy. Ten prąd początkowy, jak pokazano na wykresie prądu rozruchowego, staje się bardzo wysoki, powodując stopienie lub przepalenie przełącznika wejściowego.
Obwody zabezpieczające przed prądem rozruchowym - rodzaje
Istnieje wiele metod ochrony urządzenia przed prądem rozruchowym i dostępne są różne elementy chroniące obwód przed prądem rozruchowym. Oto lista skutecznych metod pokonywania prądu rozruchowego
Metoda ograniczenia rezystora
Istnieją dwa sposoby zaprojektowania ogranicznika prądu rozruchowego przy użyciu metody ograniczania rezystora. Pierwszym z nich jest dodanie rezystora szeregowego w celu zmniejszenia przepływu prądu w linii obwodu, a drugim wykorzystanie impedancji filtra liniowego na wejściu zasilania AC.
Ale ta metoda nie jest wydajnym sposobem dodawania w obwodzie wysokiego prądu wyjściowego. Powód jest oczywisty, ponieważ obejmuje opór. Rozruchowy rezystor prąd zostaje podgrzana podczas normalnej operacji i zmniejsza wydajność. Moc rezystora zależy od wymagań aplikacji, zwykle waha się od 1 W do 4 W.
Ogranicznik prądu oparty na termistorze lub NTC
T hermistor jest rezystorem sprzężonym temperaturowo, który zmienia rezystancję w zależności od temperatury. W przypadku rozruchu NTC obwód ogranicznika prądu jest podobny do metody ograniczania rezystora. Termistor lub NTC (ujemny współczynnik temperaturowy) jest również używany szeregowo z wejściem.
Termistory mają charakterystykę zmienionej wartości rezystancji w różnych temperaturach, szczególnie w niskich temperaturach. Termistor zachowuje się jak rezystor o dużej wartości, natomiast w wysokich temperaturach zapewnia rezystancję o niskiej wartości. Ta właściwość jest używana dla aplikacji ograniczającej prąd rozruchowy.
Podczas początkowego rozruchu obwodu NTC zapewnia rezystancję o wysokiej wartości, która zmniejsza przepływ prądu rozruchowego. Jednak gdy obwód przechodzi w stan ustalony, temperatura NTC zaczyna rosnąć, co dodatkowo skutkuje niską rezystancją. NTC to bardzo skuteczna metoda kontroli prądu rozruchowego.
Obwód łagodnego startu lub opóźnienia
Różne typy regulatorów napięcia Konwertery DC / DC wykorzystują obwód łagodnego startu lub opóźnienia w celu zmniejszenia efektu prądu rozruchowego. Tego typu funkcjonalność pozwala na zmianę czasu narastania wyjścia, co skutecznie zmniejsza prąd wyjściowy po podłączeniu do obciążenia pojemnościowego o dużej wartości.
Na przykład 1.5A Ultra-LDO TPS742 firmy Texas Instruments oferuje programowalny pin łagodnego startu, w którym użytkownik może skonfigurować Linear Start Up za pomocą prostego zewnętrznego kondensatora. Na poniższym schemacie obwodu pokazano przykładowy obwód TPS742, w którym czas łagodnego startu można skonfigurować za pomocą pinu SS za pomocą kondensatora CSS.
Gdzie i dlaczego powinniśmy wziąć pod uwagę obwód zabezpieczający przed prądem rozruchowym?
Jak omówiono wcześniej, w obwodzie, w którym istnieje pojemność lub indukcyjność o dużej wartości, wymagany jest obwód zabezpieczający przed prądem rozruchowym. Obwód prądu rozruchowego stabilizuje zapotrzebowanie na duży prąd w początkowej fazie rozruchu obwodu. Obwód ogranicznika prądu rozruchowego ogranicza prąd wejściowy i zapewnia większe bezpieczeństwo źródła i urządzenia głównego. Ponieważ wysoki prąd rozruchowy zwiększa prawdopodobieństwo awarii obwodu i należy to odrzucić. Prąd rozruchowy jest szkodliwy z następujących powodów:
- Wysoki prąd rozruchowy wpływa na zasilanie źródła.
- Często wysoki prąd rozruchowy obniża napięcie źródła i powoduje resetowanie po wyłączeniu zasilania obwodów opartych na mikrokontrolerze.
- W nielicznych przypadkach ilość prądu dostarczanego do obwodu przekracza dopuszczalne maksymalne napięcie obwodu obciążenia, powodując trwałe uszkodzenie obciążenia.
- W silnikach prądu przemiennego wysokiego napięcia wysoki prąd rozruchowy powoduje wyzwolenie lub czasami przepalenie wyłącznika zasilania.
- Ślady na płytce drukowanej są wykonane do przenoszenia określonej wartości prądu. Wysoki prąd może potencjalnie osłabić ślady na płytce drukowanej.
Dlatego też, aby zminimalizować wpływ prądu rozruchowego, ważne jest, aby zapewnić obwód ogranicznika prądu rozruchowego, w którym pojemność wejściowa jest bardzo wysoka lub ma dużą indukcyjność.
Jak mierzyć prąd rozruchowy:
Głównym wyzwaniem związanym z pomiarem prądu rozruchowego jest krótki okres czasu. Prąd rozruchowy występuje przez kilka milisekund (lub nawet mikrosekund) w zależności od pojemności obciążenia. Wartość przedziału czasu na ogół waha się od 20-100 milisekund.
Najłatwiejszym sposobem jest użycie dedykowanego miernika cęgowego z opcją pomiaru prądu rozruchowego. Miernik jest wyzwalany przez wysoki prąd i pobiera wiele próbek, aby uzyskać maksymalny prąd rozruchowy.
Inną metodą jest użycie oscyloskopu wysokiej częstotliwości, ale ten proces jest nieco skomplikowany. Należy użyć rezystora bocznikowego o bardzo niskiej wartości i wymaga dwóch kanałów do połączenia przez rezystor bocznikowy. Korzystając z różnych funkcji tych dwóch sond, można uzyskać maksymalny prąd szczytowy. Należy uważać przy podłączaniu sondy GND, błędne połączenie na rezystorze może doprowadzić do zwarcia. GND musi być podłączone przez obwód GND. Poniższy obrazek przedstawia powyższą technikę.
Czynniki do rozważenia podczas projektowania obwodu zabezpieczającego przed prądem rozruchowym:
Przed wybraniem metody ograniczania prądu rozruchowego należy wziąć pod uwagę różne czynniki i specyfikacje. Oto lista kilku podstawowych parametrów -
1. Wartość pojemności obciążenia
Pojemność obciążenia to parametry istotne przy doborze specyfikacji obwodu ograniczającego prąd rozruchowy. Wysoka pojemność wymaga wysokiego prądu przejściowego podczas rozruchu. W takim przypadku wymagany jest skuteczny obwód łagodnego rozruchu.
2. Prąd znamionowy w stanie ustalonym
Prąd w stanie ustalonym ma ogromny wpływ na sprawność ogranicznika prądu. Na przykład wysoki prąd w stanie ustalonym może prowadzić do podwyższenia temperatury i słabej wydajności, jeśli zostanie zastosowana metoda graniczna rezystora. Obwód ograniczający prąd oparty na NTC może być wyborem.
3. Czas przełączania
To, jak szybko włącza się lub wyłącza obciążenie w danym przedziale czasu, jest kolejnym parametrem służącym do wyboru metody ograniczania prądu rozruchowego. Na przykład, jeśli czas włączania / wyłączania jest bardzo krótki, NTC nie może chronić obwodu przed prądem rozruchowym. Ponieważ po zresetowaniu pierwszego cyklu NTC nie ostygnie, jeśli obwód obciążenia zostanie wyłączony i włączony w bardzo krótkim czasie. dlatego też początkowa rezystancja rozruchowa nie może zostać zwiększona, a prąd rozruchowy jest omijany przez NTC.
4. Praca przy niskim napięciu i niskim prądzie
W szczególnych przypadkach, podczas projektowania obwodu, jeśli źródło zasilania i obciążenie istnieją w tym samym obwodzie, rozsądniej jest użyć regulatora napięcia lub LDO z funkcją łagodnego rozruchu w celu zmniejszenia prądu rozruchowego. W takim przypadku aplikacja jest aplikacją niskonapięciową i niskoprądową.