Käynnistysvirta - syyt, seuraukset, suojapiirit ja suunnittelutekniikat

Elektronisen piirin kestävyys ja luotettavuus riippuvat suuresti siitä, kuinka hyvin se on suunniteltu ottaen huomioon kaikki todennäköisyydet, joita voi käytännössä esiintyä, kun tuotetta todella käytetään. Tämä pätee erityisesti kaikkiin virtalähteisiin, kuten AC-DC-muuntimiin tai SMPS-piireihin, koska ne on kytketty suoraan verkkovirtaan ja vaihtelevalla kuormalla, mikä tekee niistä alttiita ylijännitteille, jännitepiikeille, ylikuormituksille jne. monen tyyppisiä suojapiirejä suunnittelussaan, olemme jo käsittäneet paljon suosittuja suojapiirejä, nimittäin

• Ylijännitesuojaus
• Ylivirtasuoja
• Käänteinen napaisuuden suojaus
• Laukaisupiirin suojaus

Keskustelimme aiemmin Inrush-virrasta, tässä artikkelissa keskustellaan siitä, kuinka suunnitella käynnistysvirran rajoitinpiirejä, suojaamaan virtalähdesuunnitelmia sisääntulovirroilta. Ymmärrämme ensin, mikä on käynnistysvirta ja miksi se syntyy. Sitten keskustelemme erityyppisistä piirisuunnitelmista, joita voidaan käyttää suojaamaan käynnistysvirtaa, ja lopuksi lopuksi joitain vinkkejä laitteen suojaamiseksi käynnistysvirralta. Joten, aloitetaan.

Mikä on käynnistysvirta?

Kuten nimestä voi päätellä, termi "käynnistysvirta" osoittaa, että kun laite kytketään päälle alkuvaiheessa, valtava määrä virtaa virtaa piiriin. Määritelmän mukaan se voidaan määritellä suurimmaksi hetkelliseksi tulovirraksi, jonka sähkölaite vetää, kun se kytketään päälle. Tämä käyttäytyminen voidaan havaita hyvin vaihtovirran induktiivisilla kuormilla, kuten muuntaja ja moottori, joissa käynnistysvirran arvo on normaalisti kaksikymmentä tai kolmekymmentä kertaa nimellisarvoja suurempi. Vaikka käynnistysvirran arvo on erittäin korkea, se tapahtuu vain muutaman millisekunnin tai mikrosekunnin ajan, joten sitä ei voida huomata ilman mittaria. Käynnistysvirtaa voidaan kutsua myös tulojännitevirraksi tai kytkennän ylijännitteeksinykyinen mukavuuden perusteella. Koska tämä ilmiö on enemmän AC-kuormituksilla, AC-käynnistysvirranrajoitinta käytetään enemmän kuin DC-vastaavaa.

Jokainen piiri vetää virtaa lähteestä piirin tilasta riippuen. Oletetaan piiri, jolla on kolme tilaa, eli lepotila, normaali toimintatila ja suurin toimintatila. Valmiustilassa tarkasteltuna piiri vetää 1mA virtaa, normaalissa toimintatilassa piiri vetää 500mA virtaa ja maksimaalisessa toimintatilassa 1000mA tai 1A virtaa. Siksi, jos piiri toimii enimmäkseen normaalissa tilassa, voimme sanoa, että 500mA on piirin vakaan tilan virta, kun taas 1A on piirin vetämä huippuvirta.

Tämä on melko totta, helppo työskennellä ja yksinkertainen matematiikka. Mutta kuten aiemmin kerrottiin, on olemassa toinen tila, jossa piirin vetämä virta voi olla 20 tai jopa 40 kertaa suurempi kuin vakaa tila. Se on piirin alkutila tai teho. Miksi piiri sitten yhtäkkiä vetää tämän suuren virran, koska se on mitoitettu matalavirtaiselle sovellukselle? Kuten edellisessä esimerkissä, 1 mA - 1 000 mA.

Mikä aiheuttaa laitteen käynnistysvirran?

Vastaamaan kysymyksiin meidän on päästävä kelan ja moottorin kelojen magneettiin, mutta aluksi katsotaanpa, että se on kuin valtavan kaapin siirtäminen tai auton vetäminen, aluksi tarvitsemme paljon energiaa, mutta kun asiat alkavat liikkua, siitä tuli helpompaa. Aivan sama tapahtuu piirin sisällä. Lähes jokainen piiri, erityisesti virtalähteet, käyttää suuriarvoisia kondensaattoreita ja induktoreita, rikastimia ja muuntajia (valtava induktori), jotka kaikki vetävät valtavan alkuvirran kehittääksesi niiden toimintaan tarvittavan magneetti- tai sähkökentän. Siten piirin tulo tarjoaa yhtäkkiä matalan vastuksen (impedanssin) polun, joka sallii suuren virran arvon virrata piiriin.

Kondensaattorit ja induktorit käyttäytyvät eri tavalla, kun ne ovat täyteen ladatussa tai purkautuvassa tilassa. Esimerkiksi kondensaattori, kun se on täysin tyhjentyneessä tilassa, toimii oikosuluna pienen impedanssin takia, kun taas täysin ladattu kondensaattori tasoittaa tasavirtaa, jos se on kytketty suodatinkondensaattorina. Se on kuitenkin hyvin pieni ajanjakso; muutamassa millisekunnissa kondensaattori latautuu. Voit myös lukea kondensaattorin ESR- ja ESL-arvot ymmärtääksesi paremmin sen toiminnan piirissä.

Toisaalta muuntajat, moottorit ja induktorit (kaikki kelaan liittyvät asiat) tuottavat takaisin emf: n käynnistyksen aikana, vaatii myös erittäin suurta virtaa lataustilan aikana. Normaalisti tarvitaan vähän virtasyklejä tulovirran vakauttamiseksi vakaan tilaan. Voit myös lukea DCR-arvosta induktorissa, jotta ymmärrät paremmin induktoreiden toimintaa piirissä.

Yllä olevassa kuvassa näkyy nykyinen vs. aika -kaavio. Aika näytetään millisekunteina, mutta se voi olla myös mikrosekunteina. Käynnistyksen aikana virta alkaa kuitenkin kasvaa ja suurin huippuvirta on 6A. Käynnistysvirta on olemassa hyvin lyhyen ajan. Mutta käynnistysvirran jälkeen virtausvirta vakautuu arvoon.5A tai 500mA. Tämä on piirin vakaan tilan virta.

Siksi, kun syöttöjännite syötetään virtalähteeseen tai piiriin, jolla on erittäin suuri kapasitanssi tai induktanssi tai molemmat, tapahtuu käynnistysvirta. Tämä käynnistysvirran käyrän mukainen alkuvirta nousee erittäin suureksi aiheuttaakseen tulokytkimen sulamisen tai räjähtämisen.

Käynnistysvirran suojapiirit - tyypit

On monia tapoja suojata laitettasi syöksyvirralta, ja eri komponentteja on saatavana suojaamaan virtapiiriä virtavirralta. Tässä on luettelo tehokkaista menetelmistä syöksyvirran voittamiseksi

Vastuksen raja-menetelmä

On olemassa kaksi tapaa suunnitella käynnistysvirran rajoitin vastuksen raja-menetelmällä. Ensimmäinen on lisätä sarjavastus virtavirran pienentämiseksi piirilinjassa ja toinen on käyttää linjasuodattimen impedanssia vaihtovirransyötössä.

Mutta tämä menetelmä ei ole tehokas tapa lisätä suurella lähtövirralla. Syy on ilmeinen, koska se sisältää vastustusta. Käynnistysvirta vastus lämpenee normaalin käytön aikana ja vähentää tehokkuutta. Vastuksen teho riippuu käyttötarpeesta, vaihtelee tyypillisesti 1W - 4W.

Termistori tai NTC-pohjainen virranrajoitin

T- hermistori on lämpötilaan kytketty vastus, joka muuttaa vastusta lämpötilasta riippuen. Eräässä NTC inrush, rajoitin piiri on samanlainen kuin vastus rajoittaa menetelmä, Termistori tai NTC (negatiivinen lämpötilakerroin), käytetään myös sarjaan tulon kanssa.

Termistoreilla on muuttuneen vastusarvon ominaisuudet eri lämpötiloissa, erityisesti matalassa lämpötilassa. Termistori käyttäytyy kuin arvokas vastus, kun taas korkeissa lämpötiloissa se tarjoaa pienen vastuksen. Tätä ominaisuutta käytetään Inrush-virranrajoitussovelluksessa.

Piirin ensimmäisen käynnistyksen aikana NTC tarjoaa arvokasta vastusta, joka vähentää käynnistysvirran virtausta. Mutta kun piiri menee vakaaseen tilaan, NTC: n lämpötila alkaa nousta, mikä johti edelleen alhaiseen vastukseen. NTC on erittäin tehokas tapa ohjata käynnistysvirtaa.

Pehmeä käynnistys- tai viive-piiri

Erilaiset jännitesäätimen DC / DC-muuntimet vähentävät käynnistysvirran vaikutusta pehmeällä käynnistys- tai viivepiirillä. Tällainen toiminnallisuus antaa meille mahdollisuuden muuttaa lähdön nousuaikaa, mikä vähentää lähtövirtaa tehokkaasti, kun se on kytketty suuriarvoiseen kapasitiiviseen kuormitukseen.

Esimerkiksi Texas Instrumentsin 1.5A Ultra-LDO TPS742 tarjoaa ohjelmoitavan pehmeäkäynnistystapin, jossa käyttäjä voi määrittää lineaarisen käynnistyksen yksinkertaisen ulkoisen kondensaattorin avulla. Alla olevassa piirikaaviossa on esitetty esimerkki TPS742-piiristä, jossa pehmeän käynnistyksen aika voidaan konfiguroida käyttämällä SS-nastaa CSS-kondensaattoria käyttämällä.

Missä ja miksi meidän on harkittava käynnistysvirran suojapiiriä?

Kuten aiemmin keskusteltiin, piiri, jossa on suuri arvo kapasitanssia tai induktanssia varten, tarvitaan käynnistysvirran suojapiiri. Käynnistysvirtapiiri vakauttaa korkean virrantarpeen piirin alkuvaiheessa. Käynnistysvirran rajoitinpiiri rajoittaa tulovirtaa ja pitää lähteen ja isäntälaitteen turvassa. Koska suuri käynnistysvirta lisää piirin vikamahdollisuuksia ja se on hylättävä. Käynnistysvirta on haitallista seuraavista syistä -

1. Suuri käynnistysvirta vaikuttaa lähteen virtalähteeseen.
2. Usein suuri käynnistysvirta laskee lähdejännitteen ja johtaa mikro-ohjainpohjaisen virtapiirin palautumiseen.
3. Joissakin tapauksissa piiriin syötetyn virran määrä ylittää kuormituspiirin hyväksyttävän maksimijännitteen, aiheuttaen kuormalle pysyviä vaurioita.
4. Suurjännitemoottoreissa korkea käynnistysvirta aiheuttaa virtakytkimen laukeamisen tai joskus palamisen.
5. Piirilevyjäljet ​​tehdään kuljettamaan tietty arvo virtaa. Suuri virta voi mahdollisesti heikentää piirilevyjälkiä.

Siksi käynnistysvirran vaikutuksen minimoimiseksi on tärkeää järjestää käynnistysvirran rajoitinpiiri, jossa tulokapasitanssi on erittäin suuri tai jolla on suuri induktanssi.

Kuinka mitata käynnistysvirtaa:

Suurin käynnistysvirran mittaamisen haaste on nopea aika. Käynnistysvirtaa esiintyy muutaman millisekunnin (tai jopa mikrosekunnin) ajan kuormituskapasitanssista riippuen. Aikavälin arvo eroaa yleensä 20-100 millisekunnista.

Yksi helpoin tapa on käyttää erillistä kiinnitysmittaria, jolla on mahdollisuus mitata käynnistysvirta. Mittari laukaisee suuren virran ja ottaa useita näytteitä maksimaalisen käynnistysvirran saamiseksi.

Toinen menetelmä on käyttää korkeataajuista oskilloskooppia, mutta tämä prosessi on vähän hankala. On käytettävä erittäin vähäarvoista shuntivastusta ja tarvitaan kaksi kanavaa yhteyden muodostamiseksi shuntivastuksen yli. Käyttämällä näiden kahden anturin eri toimintoja voidaan saada suurin huippuvirta. GND-anturin liittämisen yhteydessä on oltava varovainen, väärä liitäntä vastuksen yli voi johtaa oikosulkuun. GND on kytkettävä piirin GND yli. Alla oleva kuva kuvaa yllä mainittua tekniikkaa.

Tekijät, jotka on otettava huomioon suunniteltaessa käynnistysvirran suojapiiriä:

Joitakin erilaisia ​​tekijöitä ja spesifikaatioita on otettava huomioon ennen käynnistysvirran rajoitustavan valitsemista. Tässä on luettelo muutamista olennaisista parametreista -

1. Kuorman kapasitanssiarvo

Kuorman kapasitanssi on olennainen parametri käynnistysvirran rajoituspiirin spesifikaation valitsemiseksi. Suuri kapasitanssi vaatii suurta ohimenevää virtaa käynnistyksen aikana. Tällaisessa tapauksessa tarvitaan tehokas pehmeän käynnistyksen piiri.

2. Vakaan tilan nykyinen luokitus

Tasavirta on valtava tekijä virranrajoittimen tehokkuudelle. Esimerkiksi korkea vakaan tilavirta voi johtaa lämpötilan nousuun ja huonoon hyötysuhteeseen, jos käytetään vastuksen raja-menetelmää. NTC-pohjainen virranrajoituspiiri voi olla valinta.

3. Vaihtoaika

Se, kuinka nopeasti kuorma nousee päälle tai pois tietyn ajanjakson aikana, on toinen parametri käynnistysvirran rajoitustavan valitsemiseksi. Esimerkiksi, jos käynnistys- / sammutusaika on erittäin nopea, NTC ei voinut suojata piiriä käynnistysvirralta. Koska ensimmäisen jakson nollauksen jälkeen NTC ei jäähty, jos kuormituspiiri sammutetaan ja kytketään päälle hyvin lyhyessä ajassa. siksi alkuperäistä käynnistysvastusta ei voitu lisätä ja käynnistysvirta ohitetaan NTC: n kautta.

4. Pienjännite ja matalavirta

Erityisissä tapauksissa virtapiirin suunnittelun aikana, jos virtalähde ja kuorma ovat saman piirin sisällä, on järkevämpää käyttää jännitesäätöä tai LDO: ita, joissa on pehmeä käynnistys, käynnistysvirran vähentämiseksi. Tällaisessa tapauksessa sovellus on matalajännitteinen matalavirtainen sovellus.