Ρεύμα εισροής - αιτίες, εφέ, κυκλώματα προστασίας και τεχνικές σχεδιασμού

Η ανθεκτικότητα και η αξιοπιστία ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο καλά έχει σχεδιαστεί λαμβάνοντας υπόψη όλες τις πιθανότητες, οι οποίες θα μπορούσαν πρακτικά να συμβούν όταν το προϊόν είναι πραγματικά σε χρήση. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για όλες τις μονάδες τροφοδοσίας, όπως μετατροπείς AC-DC ή κυκλώματα SMPS, επειδή συνδέονται απευθείας με το δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος και ποικίλο φορτίο που τις καθιστά ευαίσθητες σε υπέρταση, αιχμές τάσης, υπερφόρτωση κ.λπ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι σχεδιαστές περιλαμβάνουν πολλοί τύποι κυκλωμάτων προστασίας στο σχεδιασμό τους, έχουμε ήδη καλύψει πολλά δημοφιλή κυκλώματα προστασίας

• Προστασία υπερβολικής τάσης
• Πάνω από την τρέχουσα προστασία
• Προστασία αντίστροφης πολικότητας
• Προστασία κυκλώματος βολής

Συζητήσαμε προηγουμένως το ρεύμα εισροής, σε αυτό το άρθρο θα συζητήσουμε πώς να σχεδιάσουμε κυκλώματα περιορισμού ρεύματος εισροής, για να προστατεύσουμε τα σχέδια παροχής ρεύματος από ρεύματα εισροής. Θα καταλάβουμε πρώτα τι είναι το ρεύμα εισροής και ο λόγος για τον οποίο δημιουργείται. Στη συνέχεια, θα συζητήσουμε τους διαφορετικούς τύπους σχεδιασμού κυκλώματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία του ρεύματος εισροής και τέλος θα ολοκληρώσουμε με μερικές συμβουλές για την προστασία της συσκευής σας από το ρεύμα εισόδου. Ας ξεκινήσουμε λοιπόν.

Τι είναι το Inrush Current;

Όπως υποδηλώνει το όνομα, ο όρος «ρεύμα εισόδου» υποδηλώνει ότι όταν μια συσκευή είναι ενεργοποιημένη κατά το αρχικό στάδιο μια τεράστια ποσότητα ρεύματος ορμά στο κύκλωμα. Εξ ορισμού, μπορεί να οριστεί ως το μέγιστο στιγμιαίο ρεύμα εισόδου που αντλείται από μια ηλεκτρική συσκευή όταν είναι ενεργοποιημένη. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να παρατηρηθεί καλά σε επαγωγικά φορτία AC, όπως Transformers and Motors, όπου η τιμή ρεύματος εισόδου θα είναι κανονικά είκοσι ή τριάντα φορές μεγαλύτερη από τις ονομαστικές τιμές. Παρόλο που η τιμή του ρεύματος εισόδου είναι πολύ υψηλή, συμβαίνει μόνο για λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου ή μικροδευτερόλεπτα, επομένως δεν μπορεί να παρατηρηθεί χωρίς μετρητή. Το ρεύμα εισόδου μπορεί επίσης να ονομαστεί ως ρεύμα εισόδου εισόδου ή εναλλαγή ενεργοποίησηςτρέχουσα με βάση την ευκολία. Δεδομένου ότι αυτό το φαινόμενο είναι περισσότερο με φορτία AC, ο περιοριστής ρεύματος εισόδου AC χρησιμοποιείται περισσότερο από τον αντίστοιχο DC.

Κάθε κύκλωμα αντλεί ρεύμα από μια πηγή ανάλογα με την κατάσταση του κυκλώματος. Ας υποθέσουμε ότι ένα κύκλωμα έχει τρεις καταστάσεις, δηλαδή κατάσταση αδράνειας, κανονική κατάσταση λειτουργίας και μέγιστη κατάσταση λειτουργίας. Σε κατάσταση αναμονής, το κύκλωμα αντλεί 1mA ρεύματος, σε κανονική κατάσταση λειτουργίας το κύκλωμα αντλεί 500mA ρεύματος και στη μέγιστη κατάσταση λειτουργίας μπορεί να τραβήξει 1000mA ή 1A ρεύματος. Επομένως, εάν το κύκλωμα λειτουργεί κυρίως σε κανονική κατάσταση, μπορούμε να πούμε ότι το 500mA είναι το ρεύμα σταθερής κατάστασης για το κύκλωμα, ενώ το 1A είναι το μέγιστο ρεύμα που τραβάται από το κύκλωμα.

Αυτό είναι αρκετά αλήθεια, εύκολο στην εργασία και απλά μαθηματικά. Όμως, όπως προαναφέρθηκε, υπάρχει μια άλλη κατάσταση όπου το ρεύμα που τραβάται από το κύκλωμα μπορεί να είναι 20 ή ακόμη και 40 φορές μεγαλύτερο από το ρεύμα σταθερής κατάστασης. Είναι η αρχική κατάσταση ή η ισχύς στη σκηνή του κυκλώματος. Τώρα, γιατί αυτό το υψηλό ρεύμα τραβάται ξαφνικά από το κύκλωμα καθώς έχει βαθμολογηθεί για εφαρμογή χαμηλού ρεύματος; Όπως το προηγούμενο παράδειγμα, 1mA έως 1000mA.

Τι προκαλεί την εισροή ρεύματος σε μια συσκευή;

Για να απαντήσουμε στις ερωτήσεις που πρέπει να πάρουμε στη μαγνητική του πηνίου πηνίου και κινητήρα, αλλά για να ξεκινήσουμε ας το σκεφτούμε, είναι σαν να μετακινούμε ένα τεράστιο ντουλάπι ή να τραβάμε ένα αυτοκίνητο, αρχικά, χρειαζόμαστε υψηλή ενέργεια, αλλά καθώς τα πράγματα αρχίζουν να κινούνται, έγινε ευκολότερη. Ακριβώς το ίδιο πράγμα συμβαίνει μέσα σε ένα κύκλωμα. Σχεδόν κάθε κύκλωμα, ειδικά τροφοδοτικά, χρησιμοποιεί πυκνωτές και επαγωγείς μεγάλης αξίας, πνιγμούς και μετασχηματιστές (ένας τεράστιος επαγωγέας), όλοι τους αντλούν ένα τεράστιο αρχικό ρεύμα για την ανάπτυξη του μαγνητικού ή ηλεκτρικού πεδίου που απαιτείται για τη λειτουργία τους. Έτσι, η είσοδος του κυκλώματος παρέχει ξαφνικά μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης (σύνθετης αντίστασης) που επιτρέπει μια μεγάλη τιμή ρεύματος να ρέει στο κύκλωμα.

Οι πυκνωτές και οι επαγωγείς συμπεριφέρονται διαφορετικά όταν βρίσκονται σε κατάσταση πλήρους φόρτισης ή κατάθλιψης. Για παράδειγμα, ένας πυκνωτής όταν βρίσκεται σε πλήρως αποφορτισμένη κατάσταση δρα ως βραχυκύκλωμα λόγω της χαμηλής σύνθετης αντίστασης, ενώ ένας πλήρως φορτισμένος πυκνωτής εξομαλύνει το dc εάν συνδέεται ως πυκνωτής φίλτρου. Ωστόσο, είναι πολύ μικρό χρονικό διάστημα. σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου ο πυκνωτής φορτίζεται. Μπορείτε επίσης να διαβάσετε σχετικά με τις τιμές ESR και ESL ενός πυκνωτή για να κατανοήσετε καλύτερα πώς λειτουργεί σε ένα κύκλωμα.

Από την άλλη πλευρά, οι μετασχηματιστές, οι κινητήρες και οι επαγωγείς (όλα τα πράγματα που σχετίζονται με το πηνίο) δημιουργούν πίσω emf κατά την εκκίνηση, απαιτεί επίσης πολύ υψηλό ρεύμα κατά την κατάσταση φόρτισης. Κανονικά, απαιτούνται λίγοι κύκλοι ρεύματος για τη σταθεροποίηση του ρεύματος εισόδου σε σταθερή κατάσταση. Μπορείτε επίσης να διαβάσετε σχετικά με την τιμή DCR στον επαγωγέα για να κατανοήσετε καλύτερα πώς λειτουργούν οι επαγωγείς σε ένα κύκλωμα.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένα γράφημα τρέχοντος έναντι χρόνου. Ο χρόνος εμφανίζεται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά μπορεί να είναι και σε μικροδευτερόλεπτα. Ωστόσο, κατά την εκκίνηση, η τρέχουσα έναρξη αυξάνεται και το μέγιστο ρεύμα αιχμής είναι 6Α. Είναι το ρεύμα εισόδου που υπάρχει για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Αλλά μετά το ρεύμα εισροής, η τρέχουσα ροή γίνεται σταθερή σε τιμή 0,5A ή 500mA. Αυτό είναι το ρεύμα σταθερής κατάστασης του κυκλώματος.

Επομένως, όταν η τάση εισόδου εφαρμόζεται στην παροχή ρεύματος ή σε κύκλωμα που έχει πολύ υψηλή χωρητικότητα ή επαγωγή ή και τα δύο, εμφανίζεται ρεύμα εισόδου. Αυτό το αρχικό ρεύμα όπως φαίνεται στο γράφημα εισόδου ρεύματος γίνεται πολύ υψηλό για να προκαλέσει τήξη ή ανατίναξη του διακόπτη εισόδου.

Κυκλώματα προστασίας ρεύματος εισόδου - Τύποι

Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την προστασία της συσκευής σας από το ρεύμα εισόδου και διατίθενται διάφορα εξαρτήματα για την προστασία του κυκλώματος από το ρεύμα εισόδου. Εδώ είναι ο κατάλογος των αποτελεσματικών μεθόδων για να ξεπεραστεί η εισροή ρεύματος-

Μέθοδος ορίου αντίστασης

Υπάρχουν δύο τρόποι για να σχεδιάσετε τον περιοριστή ρεύματος εισροής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ορίου αντίστασης. Το πρώτο είναι να προσθέσετε μια αντίσταση σειράς για να μειώσετε τη ροή ρεύματος στη γραμμή κυκλώματος και η άλλη είναι να χρησιμοποιήσετε αντίσταση φίλτρου γραμμής στην είσοδο τροφοδοσίας AC.

Αλλά αυτή η μέθοδος δεν είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος προσθήκης σε ένα κύκλωμα ρεύματος υψηλής απόδοσης. Ο λόγος είναι προφανής επειδή περιλαμβάνει αντίσταση. Η αντίσταση ρεύματος εισροής θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας και μειώνει την απόδοση. Η ισχύς αντίστασης εξαρτάται από την απαίτηση εφαρμογής, συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 1W και 4W.

Περιοριστής ρεύματος με βάση θερμίστορ ή NTC

Το T hermistor είναι μια αντίσταση σε συνδυασμό θερμοκρασίας που αλλάζει αντίσταση ανάλογα με τη θερμοκρασία. Σε είσοδο NTC, το κύκλωμα περιορισμού ρεύματος είναι παρόμοιο με τη μέθοδο περιορισμού αντίστασης, το Thermistor ή το NTC (αρνητικός συντελεστής θερμοκρασίας) χρησιμοποιείται επίσης σε σειρά με την είσοδο.

Θερμίστορ έχουν χαρακτηριστικά αλλαγμένη τιμή αντίστασης σε διαφορετικές θερμοκρασίες, ειδικά, σε χαμηλή θερμοκρασία συμπεριφέρεται θερμίστορ σαν μία αντίσταση υψηλής αξίας, ενώ σε υψηλές θερμοκρασίες, παρέχει αντίσταση χαμηλής αξίας. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για την περιοριστική εφαρμογή Inrush.

Κατά την αρχική εκκίνηση του κυκλώματος, το NTC παρέχει αντίσταση υψηλής αξίας που μειώνει τη ροή εισροής ρεύματος. Αλλά κατά τη διάρκεια του κυκλώματος σε κατάσταση σταθερής κατάστασης, η θερμοκρασία του NTC αρχίζει να αυξάνεται, η οποία οδήγησε περαιτέρω σε χαμηλή αντίσταση. Το NTC είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος ελέγχου του ρεύματος εισροής.

Κύκλωμα Soft Start ή Delay

Διαφορετικός τύπος μετατροπέα τάσης DC / DC μετατροπείς χρησιμοποιεί το κύκλωμα μαλακής εκκίνησης ή καθυστέρησης για τη μείωση του φαινομένου εισροής ρεύματος. Ένας τέτοιος τύπος λειτουργικότητας μάς επιτρέπει να αλλάξουμε τον χρόνο αύξησης εξόδου, ο οποίος μειώνει αποτελεσματικά το ρεύμα εξόδου όταν συνδέεται με ένα χωρητικό φορτίο υψηλής αξίας.

Για παράδειγμα, το 1.5A Ultra-LDO TPS742 από την Texas Instruments προσφέρει προγραμματιζόμενο πείρο μαλακής εκκίνησης όπου ο χρήστης μπορεί να διαμορφώσει το Linear Start Up χρησιμοποιώντας έναν απλό εξωτερικό πυκνωτή. Στο παρακάτω διάγραμμα κυκλώματος, εμφανίζεται ένα παράδειγμα κυκλώματος του TPS742 όπου ο χρόνος μαλακής εκκίνησης μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας τον πείρο SS χρησιμοποιώντας τον πυκνωτή CSS.

Πού και γιατί πρέπει να εξετάσουμε το κύκλωμα προστασίας ρεύματος εισροής;

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, το κύκλωμα όπου υπάρχει χωρητικότητα ή επαγωγή υψηλής αξίας, απαιτείται κύκλωμα προστασίας ρεύματος εισροής. Το κύκλωμα εισροής ρεύματος σταθεροποιεί την απαίτηση υψηλού ρεύματος στο αρχικό στάδιο εκκίνησης του κυκλώματος. Ένα κύκλωμα περιορισμού ρεύματος εισόδου περιορίζει το ρεύμα εισόδου και διατηρεί την πηγή και τη συσκευή υποδοχής ασφαλέστερη. Επειδή ένα υψηλό ρεύμα εισόδου αυξάνει τις πιθανότητες αστοχίας του κυκλώματος και αυτό πρέπει να απορριφθεί. Το ρεύμα εισόδου είναι επιβλαβές για τους ακόλουθους λόγους:

1. Το υψηλό ρεύμα εισόδου επηρεάζει την τροφοδοσία πηγής.
2. Συχνά, το υψηλό ρεύμα εισόδου μειώνει την τάση της πηγής και οδηγεί σε επαναφορά του brownout για κύκλωμα με βάση τον μικροελεγκτή.
3. Σε μερικές περιπτώσεις η ποσότητα του ρεύματος που παρέχεται στο κύκλωμα υπερβαίνει την αποδεκτή μέγιστη τάση του κυκλώματος φορτίου, προκαλώντας μόνιμη ζημιά στο φορτίο.
4. Σε κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής τάσης, το υψηλό ρεύμα εισόδου προκαλεί διακοπή λειτουργίας ή μερικές φορές καύση.
5. Τα ίχνη πλακέτας PCB κατασκευάζονται για να φέρουν μια συγκεκριμένη τιμή ρεύματος. Το υψηλό ρεύμα θα μπορούσε δυνητικά να αποδυναμώσει τα ίχνη της πλακέτας PCB.

Επομένως, για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση του ρεύματος εισόδου, είναι σημαντικό να παρέχεται ένα κύκλωμα περιορισμού ρεύματος εισόδου όπου η χωρητικότητα εισόδου είναι πολύ υψηλή ή έχει μεγάλη αυτεπαγωγή.

Πώς να μετρήσετε το ρεύμα εισροής:

Η κύρια πρόκληση της μέτρησης του ρεύματος εισροής είναι το γρήγορο χρονικό διάστημα. Το ρεύμα εισόδου συμβαίνει για λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου (ή ακόμα και μικροδευτερόλεπτα) ανάλογα με τη χωρητικότητα φορτίου. Η τιμή του χρονικού διαστήματος διαφέρει γενικά από 20-100 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Ένας ευκολότερος τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε τον ειδικό μετρητή σφιγκτήρα που έχει τη δυνατότητα μέτρησης του ρεύματος εισόδου. Ο μετρητής ενεργοποιείται από το υψηλό ρεύμα και παίρνει πολλά δείγματα για να πάρει το μέγιστο ρεύμα εισόδου.

Μια άλλη μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσετε παλμογράφο υψηλής συχνότητας, αλλά αυτή η διαδικασία είναι λίγο δύσκολη. Κάποιος πρέπει να χρησιμοποιήσει μια πολύ χαμηλής αξίας αντίσταση διακλάδωσης και απαιτεί δύο κανάλια για σύνδεση σε όλη την αντίσταση διακλάδωσης. Με τη χρήση των διαφορετικών λειτουργιών αυτών των δύο ανιχνευτών μπορεί κανείς να πάρει το μέγιστο ρεύμα αιχμής. Κάποιος πρέπει να είναι προσεκτικός κατά τη σύνδεση του καθετήρα GND, η λανθασμένη σύνδεση στην αντίσταση θα μπορούσε να οδηγήσει σε βραχυκύκλωμα. Το GND πρέπει να συνδεθεί στο κύκλωμα GND. Η παρακάτω εικόνα είναι η αναπαράσταση της παραπάνω τεχνικής.

Παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός κυκλώματος προστασίας ρεύματος εισροής:

Ορισμένοι διαφορετικοί παράγοντες και προδιαγραφές πρέπει να ληφθούν υπόψη πριν από την επιλογή της μεθόδου περιορισμού εισροών ρεύματος. Ακολουθεί μια λίστα με λίγες βασικές παραμέτρους -

1. Η τιμή χωρητικότητας του φορτίου

Η χωρητικότητα του φορτίου είναι βασικές παράμετροι για την επιλογή των προδιαγραφών του κυκλώματος περιορισμού του ρεύματος εισόδου. Η υψηλή χωρητικότητα απαιτεί υψηλό παροδικό ρεύμα κατά την εκκίνηση. Για μια τέτοια περίπτωση απαιτείται ένα αποτελεσματικό κύκλωμα μαλακής εκκίνησης.

2. Τρέχουσα βαθμολογία σταθερής κατάστασης

Το ρεύμα σταθερής κατάστασης είναι ένας τεράστιος παράγοντας για την αποτελεσματικότητα του περιοριστή ρεύματος. Για παράδειγμα, το υψηλό ρεύμα σταθερής κατάστασης θα μπορούσε να οδηγήσει σε αυξημένη θερμοκρασία και κακή απόδοση εάν χρησιμοποιείται η μέθοδος ορίου αντίστασης. Το κύκλωμα περιορισμού ρεύματος με βάση το NTC μπορεί να είναι μια επιλογή.

3. Χρόνος αλλαγής

Πόσο γρήγορα το φορτίο ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται κατά τη διάρκεια ενός δεδομένου χρονικού πλαισίου είναι μια άλλη παράμετρος για να επιλέξετε τη μέθοδο περιορισμού εισροής ρεύματος. Για παράδειγμα, εάν ο χρόνος ενεργοποίησης / απενεργοποίησης είναι πολύ γρήγορος, τότε ο NTC δεν θα μπορούσε να προστατεύσει το κύκλωμα από το ρεύμα εισόδου. Διότι, μετά την επαναφορά του πρώτου κύκλου, το NTC δεν ψύχεται εάν το κύκλωμα φόρτωσης είναι απενεργοποιημένο και ενεργοποιημένο σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Επομένως, η αρχική αντίσταση εκκίνησης δεν μπορούσε να αυξηθεί και το ρεύμα εισόδου παρακάμπτεται μέσω του NTC.

4. Λειτουργία χαμηλής τάσης και χαμηλού ρεύματος

Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις, κατά τη σχεδίαση κυκλώματος, εάν υπάρχει πηγή ισχύος και φορτίο εντός του ίδιου κυκλώματος, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε ρυθμιστή τάσης ή LDO με δυνατότητα μαλακής εκκίνησης για τη μείωση του ρεύματος εισόδου. Σε μια τέτοια περίπτωση, η εφαρμογή είναι εφαρμογή χαμηλής τάσης χαμηλού ρεύματος.