זרם זרם - גורמים, השפעות, מעגלי הגנה וטכניקות תכנון

עמידותו ואמינותו של מעגל אלקטרוני תלויים מאוד באיזו מידה הוא מתוכנן בהתחשב בכל הסיכויים, שיכולים להתרחש כמעט כאשר המוצר נמצא בפועל. זה נכון במיוחד לכל יחידות אספקת החשמל כמו ממירי AC-DC או מעגלי SMPS מכיוון שהם מחוברים ישירות לרשת החשמל ועומס משתנה ההופך אותם לרגישים למתח יתר, דוקר מתח, עומס יתר וכו 'זו הסיבה שמעצבים כוללים סוגים רבים של מעגלי הגנה בעיצובם, כבר כיסינו הרבה מעגלי הגנה פופולריים, כלומר

• הגנת מתח יתר
• על הגנת זרם
• הגנת קוטביות הפוכה
• הגנת מעגל יריות

דנו בעבר בזרם Inrush, במאמר זה נדון כיצד לתכנן מעגלי מגביל זרם זרם כדי להגן על עיצובי אספקת החשמל שלך מפני זרמי כניסה. ראשית נבין מהו זרם הזרם והסיבה לכך שהוא נוצר. לאחר מכן נדון בסוגים השונים של עיצוב המעגלים בהם ניתן להשתמש כדי להגן על זרם הזרימה ולבסוף נסיים בכמה טיפים להגנה על המכשיר שלך מפני זרם הזרם. אז בואו נתחיל.

מהו זרם הזרם?

כפי שהשם מרמז המונח "זרם זרימה" מציין שכאשר מכשיר מופעל בשלב הראשוני כמות עצומה של זרם ממהרת למעגל. בהגדרה, ניתן להגדיר אותו כזרם הכניסה המיידי המקסימלי הנמשך על ידי מכשיר חשמלי כאשר הוא מופעל. ניתן לראות התנהגות זו היטב בעומסי אינדוקציה של זרם חילופין כמו רובוטריקים ומנועים, כאשר ערך זרם הזרימה יהיה בדרך כלל גבוה פי עשרים ושלושים מהערכים הנומינליים. למרות שערך הזרם גבוה מאוד הוא מתרחש רק כמה אלפיות שניות או מיקרו-שניות ולכן לא ניתן להבחין בו ללא מטר. ניתן לקרוא לזרם זרם גם כזרם זרם כניסה או כמתחזרם על בסיס נוחות. מכיוון שתופעה זו מתרחשת יותר בעומסי זרם חילופין, מגביל זרם זרם זרם חילופין משמש יותר מאשר מקבילה לזרם זרם זרם זרם זה.

כל מעגל ומעגל שואב זרם ממקור בהתאם למצב המעגל. נניח למעגל שיש לו שלושה מצבים, שהוא מצב סרק, מצב עבודה רגיל ומצב עבודה מרבי. בחשבון במצב סרק, המעגל שואב 1mA של זרם, במצב עבודה רגיל המעגל שואב 500mA של זרם ובמצב עבודה מרבי הוא יכול לצייר 1000mA או 1A של זרם. לכן, אם המעגל עובד בעיקר במצב רגיל, אנו יכולים לומר כי 500mA הוא זרם המצב היציב עבור המעגל, ואילו 1A הוא זרם השיא הנמשך על ידי המעגל.

זה נכון למדי, קל לעבוד איתו ומתמטיקה פשוטה. אבל, כפי שנאמר קודם, קיים מצב אחר שבו הזרם הנמשך על ידי המעגל יכול להיות גדול פי 20 או אפילו מזרם המצב היציב. זהו המצב ההתחלתי או הכוח בשלב המעגל. עכשיו, מדוע זרם גבוה זה נמשך פתאום על ידי המעגל מכיוון שהוא מדורג ליישום זרם נמוך? כמו הדוגמה הקודמת, 1mA ל- 1000mA.

מה גורם לזרם הזרם במכשיר?

כדי לענות על השאלות עלינו להיכנס למגנטיות של סלילי המשרן והמנוע, אך כדי להתחיל בואו ניקח בחשבון את זה, זה כמו להזיז ארון ענק או למשוך מכונית, בתחילה, אנו זקוקים לאנרגיה גבוהה, אך ככל שהדברים מתחילים לנוע, זה הפך להיות קל יותר. בדיוק אותו דבר קורה בתוך מעגל. כמעט בכל מעגל, במיוחד ספקי כוח, משתמשים בקבלים ובמשרנים בעלי ערך גדול, משנקים ורובוטריקים (משרן ענק) שכולם שואבים זרם התחלתי עצום לפיתוח השדה המגנטי או החשמלי הנדרש להפעלתם. לפיכך קלט המעגל מספק פתאום נתיב התנגדות נמוך (עכבה) המאפשר ערך זרם גדול לזרום למעגל.

קבלים ומשרנים מתנהגים אחרת כאשר הם במצב טעון במלואם או במצב פריקה. לדוגמא, קבלים כאשר הוא במצב פרוק לחלוטין משמש כקצר בגלל העכבה הנמוכה, ואילו קבל טעון במלואו מחליק את זרם הדם אם הוא מחובר כקבל פילטר. עם זאת, זהו פרק זמן קטן מאוד; בעוד כמה אלפיות השנייה הקבל נטען. אתה יכול גם לקרוא על ערכי ESR ו- ESL של קבלים כדי להבין טוב יותר איך זה עובד במעגל.

בצד השני, רובוטריקים, מנועים ומשרנים (כל הדברים שקשורים לסליל) מייצרים EMF בחזרה במהלך ההפעלה, דורשים גם זרם גבוה מאוד במצב הטעינה. בדרך כלל נדרשים מעט מחזורי זרם לייצוב זרם הקלט למצב יציב. אתה יכול גם לקרוא על ערך DCR במשרן כדי להבין טוב יותר כיצד משרנים עובדים במעגל.

בתמונה שלעיל מוצג גרף נוכחי לעומת זמן. הזמן המוצג באלפיות השנייה אבל זה יכול להיות גם במיקרו שניות. עם זאת, במהלך ההפעלה, ההתחלה הנוכחית גדלה וזרם השיא המרבי הוא 6A. זה זרם הזרימה שקיים לטווח זמן קצר מאוד. אך לאחר זרם הזרימה, זרימת הזרם מתחילה להיות יציבה בערך 0.5A או ב 500mA. זהו זרם המצב היציב של המעגל.

לכן, כאשר מתח הכניסה מוחל על ספק הכוח או במעגל בעל קיבול או אינדוקציה גבוהים מאוד או שניהם, מתרחש זרם זרימה. זרם התחלתי זה, כפי שמוצג בגרף זרם ההתחלה, נהיה גבוה מאוד כדי לגרום למתג הקלט להתמוסס או לפוצץ.

מעגלי הגנת זרם זרם - סוגים

ישנן שיטות רבות להגן על המכשיר שלך מפני זרם זרם ורכיבים שונים זמינים כדי להגן על המעגל מפני זרם הזרם. הנה רשימת השיטות היעילות להתגבר על זרם הזרם-

שיטת הגבלת הנגד

ישנן שתי דרכים לתכנן מגביל זרם זרם בשיטת הגבלת הנגד. הראשון הוא להוסיף נגד סדרה כדי להפחית את זרימת הזרם בקו המעגל והשני הוא להשתמש בעכבת מסנן קו בקלט אספקת החשמל.

אך שיטה זו אינה דרך יעילה להוסיף על מעגל זרם תפוקה גבוה. הסיבה ברורה מאחר והיא כוללת התנגדות. נגד זרם הזרם מתחמם במהלך פעולה רגילה ומפחית את היעילות. הספק הנגד תלוי בדרישת היישום, בדרך כלל נע בין 1W ל -4W.

מגביל זרם מבוסס תרמיסטור או NTC

הרמיסטר T הוא נגד מצמד טמפרטורה שמשנה את ההתנגדות בהתאם לטמפרטורה. בראיון זרימה פנימי NTC, מגביל זרם במעגל דומה שיטת הגבלת נגד, Thermistor או NTC (מקדם טמפרטורה שלילית) משמש גם בסדרה עם הקלט.

לתרמיסטורים יש מאפיינים של שינוי ערך התנגדות בטמפרטורות שונות, במיוחד בטמפרטורה נמוכה תרמיסטור מתנהג כנגד בעל ערך גבוה, ואילו בטמפרטורות גבוהות הוא מספק התנגדות עם ערך נמוך. מאפיין זה משמש ליישום המגביל הנוכחי של Inrush.

במהלך ההפעלה הראשונית של המעגל, ה- NTC מספק התנגדות בעלת ערך גבוה המפחיתה את זרימת זרם הזרימה. אבל במהלך המעגל למצב של מצב יציב, הטמפרטורה של ה- NTC מתחילה לעלות, מה שהביא עוד להתנגדות נמוכה. NTC היא שיטה יעילה מאוד לבקרת זרם הזרם.

מעגל התחלה רכה או עיכוב

סוג אחר של ממירי DC / DC לווסת מתח משתמש במעגל התחלה רכה או עיכוב כדי להפחית את אפקט זרם הזרימה. סוג כזה של פונקציונליות מאפשר לנו לשנות את זמן עליית המוצא אשר מפחית למעשה את זרם המוצא כאשר אנו מחוברים לעומס קיבולי בעל ערך גבוה.

לדוגמה, 1.5A Ultra-LDO TPS742 מטקסס אינסטרומנטס מציע סיכה להפעלה רכה ניתנת לתכנות שבה המשתמש יכול להגדיר את ההפעלה הליניארית באמצעות קבלים חיצוניים פשוטים. בתרשים המעגלים שלהלן, מוצג דוגמת מעגל של TPS742 כאשר ניתן להגדיר את זמן ההתחלה הרכה באמצעות סיכת ה- SS באמצעות הקבל CSS.

היכן ומדוע עלינו לשקול את מעגל ההגנה הנוכחי של Inrush?

כפי שנדון קודם לכן, המעגל שבו קיים קיבול או אינדוקציה בעלי ערך גבוה, נדרש מעגל הגנה מפני זרם זרם. מעגל זרם הזרימה מייצב את דרישת הזרם הגבוהה בשלב ההתחלתי הראשוני של המעגל. מעגל מגביל זרם זרם מגביל את זרם הכניסה ושומר על המקור והתקן המארח בטוח יותר. מכיוון שזרם זרימה גבוה מגדיל את סיכויי הכשל במעגל ואת זה יש לדחות. זרם הזרימה מזיק בגלל הסיבות הבאות-

1. זרם זרם גבוה משפיע על אספקת החשמל של המקור.
2. לעתים קרובות זרם זרם גבוה מוריד את מתח המקור וגורם לאיפוס חום למעגלים מבוססי מיקרו-בקר.
3. במקרים מעטים כמות הזרם המסופקת למעגל חורגת מהמתח המרבי המקובל של מעגל העומס, וגורם נזק קבוע לעומס.
4. במנועי מתח גבוה, זרם הזרימה הגבוה גורם למתג ההפעלה להידלק או לעיתים נשרף.
5. עקבות לוח PCB עשויים לשאת ערך ספציפי של זרם. הזרם הגבוה עלול להחליש את עקבות לוח ה- PCB.

לכן, כדי למזער את ההשפעה של זרם הזרם, חשוב לספק מעגל מגביל זרם הזרם שבו קיבולת הכניסה גבוהה מאוד או שיש לה אינדוקציה גדולה.

כיצד למדוד זרם זרם:

האתגר העיקרי במדידת זרם הזרימה הוא פרק הזמן המהיר. זרם הזרימה מתרחש במשך כמה אלפיות שניות (או אפילו מיקרו-שניות) בהתאם לקיבולת העומס. ערך פרק הזמן שונה בדרך כלל בין 20-100 אלפיות השנייה.

אחת הדרכים הקלות ביותר היא להשתמש במד המהדק הייעודי שיש לו אפשרות למדוד את זרם הזרימה. המונה מופעל על ידי הזרם הגבוה ולוקח מספר דגימות כדי לקבל את זרם הזרימה המרבי.

שיטה אחרת היא להשתמש באוסצילוסקופ בתדירות גבוהה אך תהליך זה מעט מסובך. צריך להשתמש בנגד שאט בעל ערך נמוך מאוד ודורש שני ערוצים כדי להתחבר על פני הנגד. על ידי שימוש בפונקציות השונות של שני הגששים הללו ניתן לקבל את זרם השיא המרבי. צריך להיזהר בעת חיבור החללית GND, חיבור שגוי על פני הנגד יכול להוביל לקצר. יש לחבר את ה- GND על פני ה- GND במעגל. התמונה למטה היא ייצוג הטכניקה הנ"ל.

גורמים שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון מעגל הגנה מפני זרם זרם:

יש לקחת כמה גורמים ומפרט שונים בחשבון לפני שתבחר בשיטת הגבלת הזרם. הנה רשימה של כמה פרמטרים חיוניים -

1. ערך הקיבול של העומס

הקיבול של העומס הוא פרמטרים חיוניים לבחירת המפרט של מעגל הגבלת זרם הזרם. קיבול גבוה דורש זרם חולף גבוה במהלך ההפעלה. במקרה כזה נדרש מעגל התחלה יעיל.

2. דירוג הנוכחי של מצב יציב

זרם יציב הוא גורם עצום ליעילות המגביל הנוכחי. לדוגמה, זרם המצב היציב הגבוה יכול להוביל לטמפרטורה מוגברת וליעילות ירודה אם משתמשים בשיטת הגבלת הנגד. מעגל הגבלת זרם מבוסס NTC יכול להיות בחירה.

3. זמן מעבר

כמה מהר העומס עולה או יורד במסגרת זמן נתונה הוא פרמטר נוסף לבחירת שיטת הגבלת הזרם. לדוגמא, אם זמן ההפעלה / כיבוי מהיר מאוד אז ה- NTC לא יכול היה להגן על המעגל מפני זרם הזרם. מכיוון שלאחר איפוס מחזור ראשון, ה- NTC לא מתקרר אם מעגל העומס מכובה ומופעל בפרק זמן קצר מאוד. לכן לא ניתן היה להגדיל את התנגדות ההתחלה הראשונית וזרם הזרימה עוקף דרך ה- NTC.

4. מתח נמוך וזרם נמוך

במקרים ספציפיים, במהלך תכנון המעגל, אם מקור החשמל והעומס קיימים בתוך אותו מעגל, עדיף להשתמש בווסת מתח או ב- LDO עם מתקן להפעלה רכה כדי להפחית את זרם הזרימה. במקרה כזה, היישום הוא יישום זרם נמוך במתח נמוך.