Corrent d'entrada: causes, efectes, circuits de protecció i tècniques de disseny

La durabilitat i la fiabilitat d’un circuit electrònic depenen en gran mesura del seu disseny, tenint en compte totes les probabilitats, que pràcticament es podrien produir quan el producte s’utilitza realment. Això és particularment cert per a totes les unitats de subministrament d’alimentació, com ara convertidors AC-DC o circuits SMPS, perquè estan connectats directament a la xarxa de corrent altern i tenen una càrrega variable que els fa susceptibles a sobretensions, pics de tensió, sobrecàrregues, etc. És per això que els dissenyadors inclouen molts tipus de circuits de protecció en el seu disseny, ja hem cobert molts circuits de protecció populars

• Protecció contra sobretensió
• Protecció contra sobrecorrent
• Protecció contra polaritat inversa
• Protecció contra circuits

Anteriorment hem comentat el corrent d'entrada, en aquest article analitzarem com dissenyar circuits limitadors de corrent d'entrada, per protegir els dissenys de la font d'alimentació dels corrents d'entrada. Primer entendrem què és el corrent d’entrada i la raó per la qual es genera. A continuació, analitzarem els diferents tipus de disseny de circuits que es poden utilitzar per protegir el corrent d’entrada i, finalment, conclourem amb alguns consells per protegir el dispositiu contra el corrent d’entrada. Comencem, doncs.

Què és el corrent d'entrada?

Com el seu nom indica, el terme "corrent d'entrada" indica que quan un dispositiu s'encén durant l'etapa inicial, una gran quantitat de corrent entra al circuit. Per definició, es pot definir com el màxim corrent d’entrada instantani que extreu un dispositiu elèctric quan s’encén. Aquest comportament es pot observar bé en càrregues inductives de corrent altern com transformadors i motors, on el valor de corrent d’entrada normalment serà vint o trenta vegades més que els valors nominals. Tot i que el valor del corrent d’entrada és molt alt, només es produeix durant uns quants mil·lisegons o microsegons, per tant no es pot notar sense un metre. El corrent d'entrada també es pot anomenar corrent d'entrada de sobretensió o pujada d'encesaactual basat en la comoditat. Atès que aquest fenomen és més freqüent amb càrregues de corrent altern, el limitador de corrent d'entrada AC és més utilitzat que el seu homòleg de corrent continu.

Tots i cadascun dels circuits extreuen corrent d’una font en funció de l’estat del circuit. Suposem un circuit que té tres estats, és a dir, l'estat d'inactivitat, l'estat de treball normal i l'estat de treball màxim. En estat inactiu, el circuit extreu 1mA de corrent, en un estat de treball normal, el circuit extreu 500mA de corrent i en l’estat de treball màxim pot obtenir 1000mA o 1A de corrent. Per tant, si el circuit funciona majoritàriament en un estat normal, podem dir que 500mA és el corrent d’estabilitat del circuit, mentre que 1A és el corrent màxim que el circuit fa.

Això és bastant cert, fàcil de treballar i matemàtiques senzilles. Però, com es va dir anteriorment, hi ha un altre estat en què el corrent extret pel circuit pot ser 20 o fins i tot 40 vegades més gran que el corrent en estat estacionari. És l’ estat o la potència inicial a l’escenari del circuit. Ara bé, per què aquest circuit és sobtadament captat ja que està qualificat per a aplicacions de baix corrent? Com l'exemple anterior, d'1mA a 1000mA.

Què causa el corrent d'entrada en un dispositiu?

Per respondre a les preguntes, hem d’entrar en la magnètica de les bobines inductor i motor, però per començar considerem que, és com moure un armari enorme o tirar d’un cotxe, inicialment necessitem molta energia, però a mesura que les coses comencen a moure’s, més fàcil. Exactament passa el mateix dins d’un circuit. Gairebé tots els circuits, especialment les fonts d’alimentació, utilitzen condensadors i inductors de gran valor, bobines i transformadors (un enorme inductor), tots els quals treuen un enorme corrent inicial per desenvolupar el camp magnètic o elèctric necessari per al seu funcionament. Així, l'entrada del circuit proporciona sobtadament un camí de baixa resistència (impedància) que permet que un gran valor de corrent flueixi al circuit.

Els condensadors i els inductors es comporten de manera diferent quan estan en estat completament carregat o de descàrrega. Per exemple, un condensador quan es troba completament descarregat actua com un curtcircuit a causa de la baixa impedància, mentre que un condensador completament carregat allisa la corrent continu si es connecta com un condensador de filtre. No obstant això, és un període de temps molt reduït; en pocs mil·lisegons, el condensador es carrega. També podeu llegir sobre els valors ESR i ESL d’un condensador per entendre millor el seu funcionament en un circuit.

A l’altra banda, els transformadors, motors i inductors (totes les coses relacionades amb la bobina) generen un emf posterior durant l’arrencada, també requereixen un corrent molt alt durant l’estat de càrrega. Normalment, es necessiten pocs cicles de corrent per estabilitzar el corrent d’entrada a un estat estacionari. També podeu llegir sobre el valor DCR a l’inductor per entendre millor com funcionen els inductors en un circuit.

A la imatge anterior, una gràfic de temps davant de la corrent es mostra. El temps mostrat en mil·lisegons, però també en microsegons. Tanmateix, durant l’inici, l’inici actual augmenta i el màxim màxim actual és de 6A. És el corrent d’entrada que existeix durant un període de temps molt curt. Però després del corrent d'entrada, el flux de corrent es manté estable a un valor de.5A o en 500mA. Aquest és el corrent estacionari del circuit.

Per tant, quan la tensió d’entrada s’aplica a la font d’alimentació o en un circuit que té una capacitat o una inductància molt elevades o ambdues, es produeix un corrent d’entrada. Aquest corrent inicial, tal com es mostra al gràfic de corrent d’entrada, és molt alt per provocar que l’interruptor d’entrada es fongui o exploti.

Circuits de protecció de corrent d'entrada: tipus

Hi ha molts mètodes per protegir el dispositiu del corrent d'entrada i hi ha diferents components disponibles per protegir el circuit del corrent d'entrada. Aquí teniu la llista de mètodes efectius per superar el corrent d’entrada.

Mètode límit de resistència

Hi ha dues maneres de dissenyar el limitador de corrent d’entrada mitjançant el mètode del límit de resistència. El primer és afegir una resistència en sèrie per reduir el flux de corrent a la línia del circuit i l’altre és utilitzar la impedància del filtre de línia a l’entrada de subministrament de CA.

Però aquest mètode no és una manera eficient d'afegir un circuit de gran corrent de sortida. La raó és òbvia perquè inclou resistència. La resistència de corrent d'entrada s'escalfa durant el funcionament normal i redueix l'eficiència. La potència de la resistència depèn del requisit de l'aplicació, normalment oscil·la entre 1W i 4W.

Termistor o limitador de corrent basat en NTC

L' hermistor T és una resistència acoblada a la temperatura que canvia la resistència en funció de la temperatura. En una entrada NTC, el circuit limitador de corrent és similar al mètode de limitació de resistències, també s’utilitza un termistor o NTC (coeficient de temperatura negatiu) en sèrie amb l’entrada.

Els termistors tenen característiques de valor de resistència canviat a diferents temperatures, concretament, a baixa temperatura, el termistor es comporta com una resistència d’alt valor, mentre que a altes temperatures proporciona una resistència de baix valor. Aquesta propietat s'utilitza per a l'aplicació de limitació de corrent d'entrada.

Durant l’inici inicial del circuit, el NTC proporciona una resistència d’alt valor que disminueix el flux de corrent d’entrada. Però mentre el circuit passa a l’estat estacionari, la temperatura del NTC comença a augmentar, cosa que a més a més té una baixa resistència. El NTC és un mètode molt eficaç per controlar el corrent d’entrada.

Circuit d’arrencada suau o retard

Els diferents tipus de convertidors de CC / CC de regulador de tensió utilitzen el circuit d’arrencada suau o de retard per reduir l’efecte de corrent d’entrada. Aquest tipus de funcionalitat ens permet canviar el temps de pujada de la sortida que redueix efectivament el corrent de sortida quan es connecta a una càrrega capacitiva d’alt valor.

Per exemple, 1.5A Ultra-LDO TPS742 de Texas Instruments ofereix un pin d’arrencada suau programable on l’usuari pot configurar Linear Start Up mitjançant un simple condensador extern. Al diagrama de circuits següent, es mostra un exemple de circuit de TPS742 on el temps d’inici suau es pot configurar mitjançant el pin SS mitjançant el condensador CSS.

On i per què hem de considerar el circuit de protecció del corrent d’entrada?

Com s’ha comentat abans, el circuit on existeix una capacitat o una inductància d’alt valor, es requereix un circuit de protecció de corrent d’entrada. El circuit de corrent d'entrada estableix el requisit de corrent elevat a l'etapa inicial inicial del circuit. Un circuit limitador de corrent d’entrada limita el corrent d’entrada i manté la font i el dispositiu amfitrió més segurs. Com que un alt corrent d’entrada augmenta les possibilitats de fallada del circuit i això s’ha de rebutjar. El corrent d’entrada és nociu per les raons següents:

1. El corrent d’entrada important afecta la font d’alimentació.
2. Sovint, el corrent d'entrada d'entrada elevat fa caure el voltatge de la font i resulta en un restabliment del marró per als circuits basats en microcontroladors.
3. En pocs casos, la quantitat de corrent subministrada al circuit supera la tensió màxima acceptable del circuit de càrrega, causant danys permanents a la càrrega.
4. En els motors de corrent altern d’alta tensió, l’alt corrent d’entrada fa que l’interruptor d’alimentació es dispari o de vegades es cremi.
5. Les traces de la placa PCB es fan per portar un valor específic de corrent. L’alt corrent podria debilitar les traces de la placa PCB.

Per tant, per minimitzar l’efecte del corrent d’entrada, és important proporcionar un circuit limitador de corrent d’entrada quan la capacitat d’entrada sigui molt alta o tingui una inductància gran.

Com es mesura el corrent d'entrada:

El principal repte de mesurar el corrent d’entrada és el temps ràpid. El corrent d'entrada es produeix durant uns quants mil·lisegons (o fins i tot microsegons) en funció de la capacitat de càrrega. El valor del període de temps generalment difereix de 20 a 100 mil·lisegons.

Una manera més senzilla és fer servir el mesurador de pinça dedicat que té l’opció de mesurar el corrent d’entrada. El mesurador es dispara mitjançant el corrent elevat i pren diverses mostres per obtenir el màxim corrent d'entrada.

Un altre mètode és utilitzar un oscil·loscopi d'alta freqüència, però aquest procés és una mica complicat. Cal utilitzar una resistència de derivació de molt baix valor i es necessiten dos canals per connectar-se a través de la resistència de derivació. Utilitzant les diferents funcions d’aquestes dues sondes es pot obtenir el màxim màxim de corrent. Cal tenir precaució mentre es connecta la sonda GND, la connexió incorrecta a través de la resistència pot provocar un curtcircuit. Cal connectar el GND a través del circuit GND. La imatge següent és la representació de la tècnica esmentada.

Factors a tenir en compte durant el disseny d'un circuit de protecció del corrent d'entrada:

Cal tenir en compte alguns factors i especificacions diferents abans d’ escollir el mètode de limitació del corrent d’entrada. Aquí teniu una llista de pocs paràmetres essencials:

1. El valor de la capacitat de la càrrega

La capacitat de la càrrega és un paràmetre essencial per seleccionar l'especificació del circuit de limitació de corrent d'entrada. L'alta capacitat requereix un alt corrent transitori durant l'arrencada. En aquest cas, es requereix un circuit efectiu d’arrencada suau.

2. Valoració actual en estat estacionari

El corrent d'estat estacionari és un factor enorme per a l'eficiència del limitador de corrent. Per exemple, l’elevat corrent estacionari pot conduir a un augment de la temperatura i a una eficiència deficient si s’utilitza el mètode límit de resistència. El circuit de limitació de corrent basat en NTC pot ser una elecció.

3. Temps de canvi

Un altre paràmetre per triar el mètode de limitació del corrent d’entrada és la rapidesa amb què s’encén o apaga la càrrega durant un període de temps determinat. Per exemple, si el temps d’engegada / apagada és molt ràpid, el NTC no podria protegir el circuit del corrent d’entrada. Perquè, després d’un restabliment del primer cicle, l’NTC no es refreda si el circuit de càrrega està apagat i encès en un període de temps molt curt. per tant, la resistència inicial inicial no es va poder augmentar i el corrent d'entrada es passa per la NTC.

4. Funcionament de baixa tensió i baixa intensitat

En casos específics, durant el disseny del circuit, si la font d’energia i la càrrega existeixen dins del mateix circuit, és més intel·ligent utilitzar reguladors de tensió o LDO amb instal·lació d’arrencada suau per reduir el corrent d’entrada. En aquest cas, l'aplicació és una aplicació de baix voltatge de baixa tensió.