Inschakelstroom - oorzaken, effecten, beveiligingscircuits en ontwerptechnieken

De duurzaamheid en betrouwbaarheid van een elektronisch circuit zijn in hoge mate afhankelijk van hoe goed het is ontworpen, rekening houdend met alle kansen die praktisch kunnen optreden wanneer het product daadwerkelijk in gebruik is. Dit geldt met name voor alle voedingseenheden zoals AC-DC-omvormers of SMPS-circuits, omdat ze rechtstreeks op het wisselstroomnet zijn aangesloten en een variërende belasting hebben waardoor ze gevoelig zijn voor overspanningen, spanningspieken, overbelasting, enz. veel soorten beveiligingscircuits in hun ontwerp, we hebben namelijk al veel populaire beveiligingscircuits behandeld

Overspanningsbeveiliging
Over huidige bescherming
Bescherming tegen omgekeerde polariteit
Shot-circuit bescherming

We hebben eerder inschakelstroom besproken, in dit artikel zullen we bespreken hoe we inschakelstroombegrenzingscircuits kunnen ontwerpen om uw voedingsontwerpen te beschermen tegen inschakelstromen. We zullen eerst begrijpen wat inschakelstroom is en de reden waarom deze wordt gegenereerd. Vervolgens bespreken we de verschillende soorten circuitontwerpen die kunnen worden gebruikt om inschakelstroom te beschermen en tot slot enkele tips om uw apparaat tegen inschakelstroom te beschermen. Dus laten we beginnen.

Wat is inschakelstroom?

Zoals de naam suggereert, geeft de term "inschakelstroom" aan dat wanneer een apparaat wordt ingeschakeld tijdens de beginfase, er een enorme hoeveelheid stroom in het circuit stroomt. Per definitie kan het worden gedefinieerd als de maximale momentane ingangsstroom die wordt getrokken door een elektrisch apparaat wanneer het is ingeschakeld. Dit gedrag kan goed worden waargenomen bij inductieve AC-belastingen zoals transformatoren en motoren, waar de inschakelstroomwaarde normaal gesproken twintig of dertig keer hoger zal zijn dan de nominale waarden. Hoewel de waarde van de inschakelstroom erg hoog is, treedt deze slechts enkele milliseconden of microseconden op en kan daarom niet worden opgemerkt zonder een meter. Inschakelstroom kan ook worden genoemd als ingangsstootstroom of inschakelstroomactueel op basis van gemak. Omdat dit fenomeen meer voorkomt bij AC-belastingen, wordt AC-inschakelstroombegrenzer meer gebruikt dan zijn DC-tegenhanger.

Elk circuit trekt stroom van een bron, afhankelijk van de toestand van het circuit. Laten we aannemen dat een circuit drie toestanden heeft, dat wil zeggen inactieve toestand, normale werkstatus en maximale werkstatus. In rusttoestand trekt het circuit 1mA stroom, in een normale bedrijfstoestand trekt het circuit 500mA stroom en in de maximale bedrijfstoestand kan het 1000mA of 1A stroom trekken. Daarom, als het circuit meestal in een normale toestand werkt, kunnen we zeggen dat 500mA de stationaire stroom voor het circuit is, terwijl 1A de piekstroom is die door het circuit wordt getrokken.

Dit is redelijk waar, gemakkelijk om mee te werken en eenvoudige wiskunde. Maar, zoals eerder verteld, is er een andere toestand waarin de stroom die door het circuit wordt getrokken 20 of zelfs 40 keer groter kan zijn dan de stationaire stroom. Het is de begintoestand of stroom op het circuit van het circuit. Waarom wordt deze hoge stroom plotseling door het circuit getrokken, omdat deze geschikt is voor toepassing met lage stroomsterkte? Zoals het vorige voorbeeld, 1mA tot de 1000mA.

Wat veroorzaakt inschakelstroom in een apparaat?

Om de vragen te beantwoorden, moeten we ingaan op de magnetiek van inductor en motorspoelen, maar om te beginnen, laten we eens bedenken dat het is als het verplaatsen van een enorme kast of het trekken van een auto. gemakkelijker. Precies hetzelfde gebeurt in een circuit. Bijna elk circuit, vooral voedingen, maakt gebruik van condensatoren en inductoren, smoorspoelen en transformatoren van grote waarde (een enorme inductor) die allemaal een enorme startstroom trekken om het magnetische of elektrische veld te ontwikkelen dat nodig is voor hun werking. De ingang van het circuit biedt dus plotseling een pad met lage weerstand (impedantie) waardoor een grote stroomwaarde in het circuit kan stromen.

Condensatoren en smoorspoelen gedragen zich anders wanneer ze volledig opgeladen of ontladen zijn. Een condensator die zich in een volledig ontladen toestand bevindt, werkt bijvoorbeeld als kortsluiting vanwege de lage impedantie, terwijl een volledig opgeladen condensator de gelijkstroom vereffent als deze is aangesloten als een filtercondensator. Het is echter een zeer korte tijdspanne; in enkele milliseconden wordt de condensator opgeladen. U kunt ook lezen over de ESR- en ESL-waarden van een condensator om beter te begrijpen hoe deze werkt in een circuit.

Aan de andere kant genereren transformatoren, motoren en inductoren (alle spoelgerelateerde dingen) back-emf tijdens het opstarten, en vereist ook een zeer hoge stroom tijdens de laadtoestand. Normaal gesproken zijn er weinig stroomcycli nodig om de ingangsstroom in een stabiele toestand te stabiliseren. U kunt ook lezen over de DCR-waarde in de inductor om beter te begrijpen hoe inductoren in een circuit werken.

In de bovenstaande afbeelding wordt een grafiek van de huidige versus de tijd weergegeven. De tijd wordt weergegeven in milliseconden, maar dat kan ook in microseconden zijn. Tijdens het opstarten begint de stroom echter toe te nemen en is de maximale piekstroom 6A. Het is de inschakelstroom die gedurende een zeer korte tijdspanne bestaat. Maar na de inschakelstroom wordt de stroom stabiel op een waarde van 0,5A of in 500mA. Dit is de stabiele stroom van het circuit.

Daarom treedt inschakelstroom op wanneer de ingangsspanning wordt toegepast op de voeding of in een circuit met een zeer hoge capaciteit of inductantie of beide. Deze initiële stroom, zoals weergegeven in de inschakelstroomgrafiek, wordt erg hoog, waardoor de ingangsschakelaar smelt of opgeblazen wordt.

Inschakelstroombeveiligingscircuits - typen

Er zijn veel methoden om uw apparaat te beschermen tegen inschakelstroom en er zijn verschillende componenten beschikbaar om het circuit te beschermen tegen inschakelstroom. Hier is de lijst met effectieve methoden om inschakelstroom te overwinnen

Weerstandslimietmethode

Er zijn twee manieren om inschakelstroombegrenzers te ontwerpen met behulp van de weerstandslimietmethode. De eerste is om een serieweerstand toe te voegen om de stroom in de circuitlijn te verminderen en de andere is om lijnfilterimpedantie te gebruiken in de AC-voedingsingang.

Maar deze methode is geen efficiënte manier om een stroomcircuit met een hoge uitgang toe te voegen. De reden is duidelijk omdat het weerstand omvat. De inschakelstroomweerstand wordt tijdens normaal bedrijf opgewarmd en vermindert de efficiëntie. Het weerstandsvermogen is afhankelijk van de toepassingsvereisten en ligt doorgaans tussen 1W en 4W.

Thermistor of NTC gebaseerde stroombegrenzer

De T hermistor is een temperatuurgekoppelde weerstand die de weerstand verandert afhankelijk van de temperatuur. In een NTC-inschakelstroom is het stroombegrenzingscircuit vergelijkbaar met de weerstandsbeperkende methode, Thermistor of NTC (Negatieve temperatuurcoëfficiënt) wordt ook in serie met de ingang gebruikt.

Thermistors hebben kenmerken van veranderde weerstandswaarde bij verschillende temperaturen, met name bij lage temperatuur Thermistor gedraagt zich als een hoogwaardige weerstand, terwijl deze bij hoge temperaturen een lage weerstand biedt. Deze eigenschap wordt gebruikt voor de inschakelstroombeperkingstoepassing.

Tijdens de eerste opstart van het circuit zorgt de NTC voor een hoogwaardige weerstand die de inschakelstroom vermindert. Maar terwijl het circuit in de stationaire toestand komt, begint de temperatuur van de NTC te stijgen wat verder resulteert in een lage weerstand. NTC is een zeer effectieve methode om inschakelstroom te regelen.

Softstart- of vertragingscircuit

Verschillende soorten DC / DC-omvormers met spanningsregelaar gebruiken het softstart- of vertragingscircuit om het inschakelstroomeffect te verminderen. Een dergelijk type functionaliteit stelt ons in staat om de stijgtijd van de uitgang te wijzigen, waardoor de uitgangsstroom effectief wordt verminderd wanneer deze is aangesloten op een hoogwaardige capacitieve belasting.

De 1.5A Ultra-LDO TPS742 van Texas Instruments biedt bijvoorbeeld een programmeerbare softstart-pin waarmee de gebruiker Linear Start Up kan configureren met behulp van een eenvoudige externe condensator. In het onderstaande schakelschema wordt een voorbeeldcircuit van TPS742 getoond waarbij de softstarttijd kan worden geconfigureerd met behulp van de SS-pin met behulp van de CSS-condensator.

Waar en waarom moeten we inschakelstroombeveiliging overwegen?

Zoals eerder besproken, is het circuit waar hoogwaardige capaciteit of inductie bestaat, een inschakelstroombeveiligingscircuit vereist. Het inschakelstroomcircuit stabiliseert de hoge stroombehoefte in de eerste opstartfase van het circuit. Een inschakelstroombegrenzingscircuit beperkt de ingangsstroom en houdt de bron en het hostapparaat veiliger. Omdat een hoge inschakelstroom de uitvalkansen van het circuit vergroot en dat moet worden afgewezen. Inschakelstroom is schadelijk vanwege de volgende redenen:

Een hoge inschakelstroom beïnvloedt de voeding van de bron.
Vaak verlaagt een hoge inschakelstroom de bronspanning en resulteert dit in een brownout-reset voor op microcontrollers gebaseerde schakelingen.
In enkele gevallen komt de hoeveelheid stroom die aan het circuit wordt geleverd boven de aanvaardbare maximale spanning van het belastingscircuit, waardoor de belasting permanent wordt beschadigd.
Bij hoogspannings-AC-motoren zorgt de hoge inschakelstroom ervoor dat de aan / uit-schakelaar wordt uitgeschakeld of soms doorgebrand.
De sporen van de printplaat zijn gemaakt om een specifieke stroomwaarde te dragen. De hoge stroom kan de sporen van de printplaat mogelijk verzwakken.

Om het effect van inschakelstroom te minimaliseren, is het daarom belangrijk om te voorzien in een inschakelstroombegrenzingscircuit waarbij de ingangscapaciteit erg hoog is of een grote inductantie heeft.

Hoe de inschakelstroom te meten:

De belangrijkste uitdaging bij het meten van inschakelstroom is de korte tijdspanne. Inschakelstroom treedt op gedurende enkele milliseconden (of zelfs microseconden), afhankelijk van de belastingscapaciteit. De waarde van de tijdspanne verschilt over het algemeen van 20-100 milliseconden.

Een eenvoudigste manier is om de speciale stroomtang te gebruiken die de mogelijkheid heeft om de inschakelstroom te meten. De meter wordt getriggerd door de hoge stroom en neemt meerdere monsters om de maximale inschakelstroom te krijgen.

Een andere methode is om een hoogfrequente oscilloscoop te gebruiken, maar dit proces is een beetje lastig. Men moet een zeer lage shuntweerstand gebruiken en er zijn twee kanalen nodig om over de shuntweerstand te verbinden. Door de verschillende functies van deze twee sondes te gebruiken, kan men de maximale piekstroom krijgen. Men moet voorzichtig zijn bij het aansluiten van de GND-sonde, een verkeerde aansluiting over de weerstand kan tot kortsluiting leiden. De GND moet over het circuit GND worden aangesloten. De onderstaande afbeelding is de weergave van de bovengenoemde techniek.

Factoren waarmee u rekening moet houden bij het ontwerpen van een inschakelstroombeveiligingscircuit:

Er moet met een aantal verschillende factoren en specificaties rekening worden gehouden voordat de inschakelstroombeperkende methode wordt gekozen. Hier is een lijst met enkele essentiële parameters -

1. De capaciteitswaarde van de belasting

De capaciteit van de belasting zijn essentiële parameters om de specificatie van het inschakelstroombegrenzingscircuit te selecteren. Hoge capaciteit vereist een hoge tijdelijke stroom tijdens het opstarten. Voor een dergelijk geval is een effectief softstartcircuit vereist.

2. Steady-state huidige classificatie

Steady-state stroom is een enorme factor voor de efficiëntie van de stroombegrenzer. De hoge stationaire stroom kan bijvoorbeeld leiden tot een hogere temperatuur en een slecht rendement als de weerstandslimietmethode wordt gebruikt. Een NTC-gebaseerd stroombegrenzingscircuit kan een keuze zijn.

3. Schakeltijd

Hoe snel de belasting wordt in- of uitgeschakeld gedurende een bepaald tijdsbestek, is een andere parameter om de inschakelstroombeperkende methode te kiezen. Als de in- / uitschakeltijd bijvoorbeeld erg snel is, kan de NTC het circuit niet beschermen tegen inschakelstroom. Omdat de NTC na een eerste cyclusreset niet afkoelt als het belastingscircuit in zeer korte tijd wordt uit- en ingeschakeld. daarom kon de initiële startweerstand niet worden verhoogd en wordt de inschakelstroom omgeleid door de NTC.

4. Lage spanning en lage huidige werking

In specifieke gevallen, tijdens het ontwerp van het circuit, is het verstandiger om, als de stroombron en de belasting zich binnen hetzelfde circuit bevinden, een spanningsregelaar of LDO's met softstart-mogelijkheid te gebruiken om de inschakelstroom te verminderen. In dat geval is de toepassing een laagspannings-laagstroomtoepassing.