Startström - orsaker, effekter, skyddskretsar och designtekniker

Hållbarheten och pålitligheten hos en elektronisk krets är i hög grad beroende av hur väl den är utformad med tanke på alla odds, som praktiskt taget kan uppstå när produkten faktiskt används. Detta gäller särskilt för alla strömförsörjningsenheter som AC-DC-omvandlare eller SMPS-kretsar eftersom de är anslutna direkt till nätströmmen och en varierande belastning som gör dem mottagliga för överspänningar, spänningstoppar, överbelastning etc. Detta är anledningen till att designers inkluderar många typer av skyddskretsar i sin design har vi redan täckt många populära skyddskretsar nämligen

• Överspänningsskydd
• Överströmsskydd
• Omvänd polaritetsskydd
• Skotkretsskydd

Vi har tidigare diskuterat Inrush-ström, i den här artikeln kommer vi att diskutera hur man designar en inkopplingsströmbegränsningskretsar, för att skydda dina strömförsörjningsdesigner från startströmmar. Vi först först vad inströmströmmen är och anledningen till att den genereras. Sedan kommer vi att diskutera olika typer av kretsdesign som kan användas för att skydda startström och slutligen avsluta med några tips för att skydda din enhet mot startström. Så, låt oss komma igång.

Vad är startström?

Som namnet antyder anger termen "startström" att när en enhet slås på under det inledande skedet rusar en stor mängd ström in i kretsen. Per definition kan den definieras som den maximala momentana ingångsströmmen som dras av en elektrisk enhet när den slås på. Detta beteende kan observeras väl i växelströmsinduktiva belastningar som transformatorer och motorer, där startströmvärdet normalt kommer att vara tjugo eller trettio gånger mer än de nominella värdena. Även om värdet på startströmmen är mycket högt inträffar det bara i några millisekunder eller mikrosekunder och kan därför inte märkas utan en mätare. Ingångsströmmen kan också kallas som ingångsström eller inkopplingsströmnuvarande baserat på bekvämlighet. Eftersom detta fenomen är mer med växelströmsbelastningar används AC-startströmbegränsare mer än dess motsvarighet.

Varje krets drar ström från en källa beroende på kretsens tillstånd. Låt oss anta en krets som har tre tillstånd, det vill säga viloläge, normalt arbetstillstånd och maximalt arbetstillstånd. I viloläge beaktar att kretsen drar 1 mA ström, i ett normalt arbetstillstånd drar kretsen 500 mA ström och i maximalt arbetstillstånd kan den dra 1000 mA eller 1 A ström. Därför, om kretsen mestadels fungerar i ett normalt tillstånd, kan vi säga att 500mA är steady-state-strömmen för kretsen, medan 1A är toppströmmen som dras av kretsen.

Detta är ganska sant, lätt att arbeta med och enkel matte. Men som sagt tidigare finns det ett annat tillstånd där strömmen som dras av kretsen kan vara 20 eller till och med 40 gånger större än steady-state-strömmen. Det är det initiala tillståndet eller strömmen på kretsens steg. Nu, varför denna höga ström plötsligt dras av kretsen eftersom den är klassad för lågströmstillämpning? Såsom föregående exempel, 1mA till 1000mA.

Vad orsakar startström i en enhet?

För att svara på frågorna måste vi komma in i induktans- och motorspolen, men för att börja, låt oss överväga det, det är som att flytta ett stort skåp eller dra i en bil, inledningsvis behöver vi hög energi, men när saker och ting börjar röra sig blev det lättare. Exakt samma sak händer i en krets. Nästan varje krets, särskilt strömförsörjning, använder stora värdekondensatorer och induktorer, drosslar och transformatorer (en stor induktor) som alla drar en enorm initial ström för att utveckla det magnetiska eller elektriska fält som krävs för deras drift. Sålunda ger kretsingången plötsligt en låg motståndsbana (impedans) som tillåter ett stort strömvärde att strömma in i kretsen.

Kondensatorer och induktorer beter sig annorlunda när de är i fulladdat tillstånd eller urladdat tillstånd. Till exempel fungerar en kondensator när den är i helt urladdat tillstånd som en kortslutning på grund av den låga impedansen, medan en fulladdad kondensator släpper ut likströmmen om den är ansluten som en filterkondensator. Det är dock en mycket liten tidsperiod; på några millisekunder laddas kondensatorn. Du kan också läsa om ESR- och ESL-värdena för en kondensator för att bättre förstå hur den fungerar i en krets.

På andra sidan genererar transformatorer, motorer och induktorer (alla spolrelaterade saker) tillbaka emf under start, kräver också mycket hög ström under laddningstillståndet. Normalt krävs få strömcykler för att stabilisera ingångsströmmen till ett steady-state. Du kan också läsa om DCR-värdet i induktorn för att bättre förstå hur induktorer fungerar i en krets.

I bilden ovan visas ett aktuellt kontra tidsdiagram. Tiden som visas i millisekunder men den kan också vara i mikrosekunder. Men under uppstarten ökar den aktuella början och den maximala toppströmmen är 6A. Det är startströmmen som finns under en mycket kort tidsperiod. Men efter startströmmen blir strömflödet stabilt till ett värde av 0,5 A eller 500 mA. Detta är kretsens steady-state-ström.

Därför, när ingångsspänningen appliceras på strömförsörjningen eller i en krets som har mycket hög kapacitans eller induktans eller båda, inträffar startström. Denna initiala ström som visas i startströmdiagrammet blir mycket hög för att orsaka att ingångsbrytaren smälter eller sprängs.

Intrångsströmskyddskretsar - Typer

Det finns många metoder för att skydda din enhet från inkopplingsström och olika komponenter finns tillgängliga för att skydda kretsen från inkopplingsström. Här är listan över effektiva metoder för att övervinna startström-

Motståndsgränsmetod

Det finns två sätt att utforma startströmbegränsare med resistorgränsmetoden. Den första är att lägga till ett seriemotstånd för att minska strömflödet i kretsledningen och det andra är att använda ledningsfilterimpedans i växelströmsingång.

Men denna metod är inte ett effektivt sätt att lägga till över en hög utgångsströmkrets. Anledningen är uppenbar eftersom den inkluderar motstånd. Den inkopplingsström resistorn får värmas upp under normal drift och reducerar effektiviteten. Motståndseffekten beror på applikationskravet, varierar vanligtvis mellan 1W och 4W.

Termistor eller NTC-baserad strömbegränsare

T- hermistorn är ett temperaturkopplat motstånd som ändrar motstånd beroende på temperaturen. I ett NTC-inträde liknar strömbegränsarkretsen motståndsbegränsningsmetoden, termistor eller NTC (negativ temperaturkoefficient) används också i serie med ingången.

Termistorer har egenskaper som förändrat motståndsvärde vid olika temperaturer, speciellt vid låg temperatur beter sig Thermistor som ett motstånd med högt värde, medan det vid höga temperaturer ger lågt värde motstånd. Den här egenskapen används för Inrush-nuvarande begränsningsapplikation.

Under den första starten av kretsen tillhandahåller NTC högvärdesmotstånd som minskar startströmmen. Men under kretsloppet i steady-state-tillståndet börjar temperaturen på NTC öka vilket ytterligare resulterade i lågt motstånd. NTC är en mycket effektiv metod för att kontrollera startströmmen.

Mjukstart eller fördröjningskrets

Olika typer av spänningsregulator DC / DC-omvandlare använder mjukstart- eller fördröjningskretsen för att minska startströmeffekten. En sådan typ av funktionalitet gör det möjligt för oss att ändra utgångens stigningstid vilket effektivt minskar utgångsströmmen när vi är anslutna till en högvärdig kapacitiv belastning.

Till exempel erbjuder 1.5A Ultra-LDO TPS742 från Texas Instruments programmerbar mjukstartstift där användaren kan konfigurera linjär start med en enkel extern kondensator. I nedanstående kretsschema visas ett exempel på TPS742 där mjukstarttiden kan konfigureras med hjälp av SS-stiftet med hjälp av CSS-kondensatorn.

Var och varför måste vi överväga Inrush Current Protection Circuit?

Såsom diskuterats tidigare, den krets där högt värde kapacitans eller induktans existerar, en inkopplingsström skyddskrets krävs. Startströmkretsen stabiliserar det höga strömbehovet i kretsens första startfas. En startströmbegränsarkrets begränsar ingångsströmmen och håller källan och värdenheten säkrare. Eftersom en hög startström ökar felchansen för kretsen och det måste avvisas. Startströmmen är skadlig av följande skäl-

1. Hög startström påverkar källans strömförsörjning.
2. Ofta tappar hög inströmström källspänningen och resulterar i en återställning för mikrokontroller-baserade kretsar.
3. I få fall överskrider strömmen som matas till kretsen den acceptabla maximala spänningen i belastningskretsen, vilket orsakar permanent skada på belastningen.
4. I högspännings växelströmsmotorer orsakar den höga startströmmen att strömbrytaren går ut eller ibland utbränd.
5. PCB-kortets spår är gjorda för att ha ett specifikt strömvärde. Den höga strömmen kan potentiellt försvaga kretskortspåren.

För att minimera effekten av startström är det därför viktigt att tillhandahålla en begränsningskrets för startström där ingångskapacitansen är mycket hög eller har en stor induktans.

Hur man mäter startström:

Den största utmaningen att mäta startströmmen är den snabba tidsperioden. Startström inträffar under några millisekunder (eller till och med mikrosekunder) beroende på lastkapacitansen. Värdet på tidsperioden skiljer sig i allmänhet från 20-100 millisekunder.

Ett enklaste sätt är att använda den dedikerade klämmätaren som har möjlighet att mäta startströmmen. Mätaren utlöses av den höga strömmen och tar flera prover för att få maximal startström.

En annan metod är att använda ett högfrekvent oscilloskop men denna process är lite knepig. Man måste använda ett shuntmotstånd med mycket lågt värde och kräver två kanaler för att ansluta över shuntmotståndet. Genom att använda de olika funktionerna i dessa två sonder kan man få maximal toppström. Man måste vara försiktig när man ansluter GND-sonden, fel anslutning över motståndet kan leda till kortslutning. GND måste anslutas över kretsen GND. Nedanstående bild representerar ovan nämnda teknik.

Faktorer att tänka på när man utformar en skyddström för intrångsström:

Några olika faktorer och specifikationer behövs för att tas med i beräkningen innan man väljer metod för strömbegränsning. Här är en lista med några viktiga parametrar -

1. Lastens kapacitansvärde

Lastens kapacitans är viktiga parametrar för att välja specifikation för startströmbegränsningskrets. Hög kapacitans kräver en hög övergående ström under start. För ett sådant fall krävs en effektiv mjukstartkrets.

2. Steady-state nuvarande betyg

Steady-state-ström är en stor faktor för strömbegränsarens effektivitet. Till exempel kan den höga steady-state-strömmen leda till ökad temperatur och dålig effektivitet om resistorgränsmetoden används. NTC-baserad strömbegränsningskrets kan vara ett val.

3. Växlingstid

Hur snabbt lasten slås på eller av under en viss tidsram är en annan parameter för att välja metod för startströmbegränsning. Till exempel, om till- / frånkopplingstiden är mycket snabb, kunde NTC inte skydda kretsen mot inkopplingsström. Eftersom NTC efter en återställning av första cykeln inte kyls ned om belastningskretsen stängs av och på på mycket kort tid. därför kunde det initiala startmotståndet inte ökas och startströmmen kringgås genom NTC.

4. Lågspännings- och lågströmsdrift

I specifika fall, om strömkällan och belastningen existerar i samma krets, är det klokare att använda spänningsregulator eller LDO med mjukstart för att minska startströmmen. I ett sådant fall är applikationen en applikation med låg spänning med låg ström.