Corrente di spunto: cause, effetti, circuiti di protezione e tecniche di progettazione

La durata e l'affidabilità di un circuito elettronico dipendono fortemente da quanto bene è stato progettato considerando tutte le probabilità, che potrebbero praticamente verificarsi quando il prodotto è effettivamente in uso. Ciò è particolarmente vero per tutte le unità di alimentazione come i convertitori CA-CC o i circuiti SMPS perché sono collegati direttamente alla rete CA e un carico variabile che li rende suscettibili a sovratensioni, picchi di tensione, sovraccarichi, ecc. molti tipi di circuiti di protezione nella loro progettazione, abbiamo già coperto molti circuiti di protezione popolari

• Protezione da sovratensione
• Protezione da sovracorrente
• Protezione dall'inversione di polarità
• Protezione del circuito di sparo

Abbiamo discusso in precedenza della corrente di spunto, in questo articolo discuteremo come progettare circuiti limitatori di corrente di spunto, per proteggere i progetti di alimentatori dalle correnti di spunto. In primo luogo capiremo cos'è la corrente di spunto e il motivo per cui viene generata. Quindi discuteremo i diversi tipi di progettazione del circuito che possono essere utilizzati per proteggere la corrente di spunto e infine concluderemo con alcuni suggerimenti per proteggere il tuo dispositivo dalla corrente di spunto. Quindi iniziamo.

Cos'è la corrente di spunto?

Come suggerisce il nome, il termine "corrente di spunto" indica che quando un dispositivo viene acceso durante la fase iniziale, un'enorme quantità di corrente si riversa nel circuito. Per definizione può essere definita come la massima corrente istantanea in ingresso assorbita da un dispositivo elettrico all'accensione. Questo comportamento può essere ben osservato nei carichi induttivi CA come trasformatori e motori, dove il valore della corrente di spunto sarà normalmente venti o trenta volte superiore ai valori nominali. Anche se il valore della corrente di spunto è molto alto, si verifica solo per pochi millisecondi o microsecondi quindi non può essere notato senza un contatore. La corrente di spunto può anche essere chiamata come corrente di picco in ingresso o sovratensione di accensionecorrente basata sulla convenienza. Poiché questo fenomeno è più con i carichi CA, il limitatore di corrente di spunto CA è più utilizzato rispetto alla sua controparte CC.

Ogni circuito trae corrente da una sorgente a seconda dello stato del circuito. Supponiamo che un circuito abbia tre stati, ovvero stato inattivo, stato di funzionamento normale e stato di funzionamento massimo. In stato di riposo si consideri, il circuito assorbe 1mA di corrente, in uno stato di normale funzionamento il circuito assorbe 500mA di corrente e nello stato di massimo funzionamento può assorbire 1000mA o 1A di corrente. Pertanto, se il circuito funziona principalmente in uno stato normale, possiamo dire che 500mA è la corrente di stato stazionario per il circuito, mentre 1A è la corrente di picco assorbita dal circuito.

Questo è abbastanza vero, facile da lavorare e semplice matematica. Ma, come detto in precedenza, esiste un altro stato in cui la corrente assorbita dal circuito può essere 20 o anche 40 volte maggiore della corrente di stato stazionario. È lo stato iniziale o la fase di accensione del circuito. Ora, perché questa corrente elevata viene improvvisamente assorbita dal circuito poiché è classificata per l'applicazione a bassa corrente? Come nell'esempio precedente, da 1 mA a 1000 mA.

Cosa causa la corrente di spunto in un dispositivo?

Per rispondere alle domande dobbiamo entrare nel magnetismo dell'induttore e delle bobine del motore, ma per iniziare consideriamo che, inizialmente è come spostare un enorme armadio o tirare un'auto, inizialmente abbiamo bisogno di alta energia, ma quando le cose iniziano a muoversi, è diventato Più facile. Esattamente la stessa cosa accade all'interno di un circuito. Quasi tutti i circuiti, in particolare gli alimentatori, utilizzano condensatori e induttori di grande valore, induttanze e trasformatori (un enorme induttore) che assorbono un'enorme corrente iniziale per sviluppare il campo magnetico o elettrico richiesto per il loro funzionamento. Pertanto l'ingresso del circuito fornisce improvvisamente un percorso a bassa resistenza (impedenza) che consente a un valore elevato di corrente di fluire nel circuito.

I condensatori e gli induttori si comportano in modo diverso quando sono completamente carichi o scaricati. Ad esempio, un condensatore quando è in una condizione completamente scarica agisce come un cortocircuito a causa della bassa impedenza, mentre un condensatore completamente carico attenua la corrente continua se collegato come condensatore di filtro. Tuttavia, è un lasso di tempo molto ridotto; in pochi millisecondi il condensatore si carica. Puoi anche leggere i valori ESR ed ESL di un condensatore per capire meglio come funziona in un circuito.

Dall'altro lato, trasformatori, motori e induttori (tutto ciò che riguarda la bobina) generano back emf durante l'avvio, richiedono anche una corrente molto elevata durante lo stato di carica. Normalmente, sono necessari pochi cicli di corrente per stabilizzare la corrente di ingresso a uno stato stazionario. Puoi anche leggere il valore DCR nell'induttore per capire meglio come funzionano gli induttori in un circuito.

Nell'immagine sopra, viene mostrato un grafico corrente rispetto al tempo. Il tempo mostrato in millisecondi, ma può essere anche in microsecondi. Tuttavia, durante l'avvio, la corrente inizia ad aumentare e la corrente di picco massima è 6A. È la corrente di spunto che esiste per un periodo di tempo molto breve. Ma dopo la corrente di spunto, il flusso di corrente diventa stabile a un valore di 0,5 A o in 500 mA. Questa è la corrente stazionaria del circuito.

Pertanto, quando la tensione di ingresso viene applicata all'alimentatore o in un circuito con capacità o induttanza molto elevate o entrambe, si verifica una corrente di spunto. Questa corrente iniziale, come mostrato nel grafico della corrente di spunto, diventa molto alta e causa la fusione o l'esplosione dell'interruttore di ingresso.

Circuiti di protezione dalla corrente di spunto - Tipi

Esistono molti metodi per proteggere il dispositivo dalla corrente di picco e sono disponibili diversi componenti per proteggere il circuito dalla corrente di picco. Ecco l'elenco dei metodi efficaci per superare la corrente di spunto

Metodo del limite di resistenza

Esistono due modi per progettare un limitatore di corrente di spunto utilizzando il metodo del limite del resistore. Il primo consiste nell'aggiungere un resistore in serie per ridurre il flusso di corrente nella linea del circuito e l'altro consiste nell'utilizzare l' impedenza del filtro di linea nell'ingresso di alimentazione CA.

Ma questo metodo non è un modo efficiente per aggiungere attraverso un circuito di corrente ad alta uscita. Il motivo è ovvio perché include la resistenza. Il resistore della corrente di spunto si riscalda durante il normale funzionamento e riduce l'efficienza. La potenza del resistore dipende dai requisiti dell'applicazione, in genere è compresa tra 1W e 4W.

Limitatore di corrente basato su termistore o NTC

Il termistore è un resistore accoppiato in temperatura che cambia la resistenza a seconda della temperatura. In uno spunto NTC, il circuito del limitatore di corrente è simile al metodo di limitazione del resistore, anche il termistore o NTC (coefficiente di temperatura negativo) viene utilizzato in serie con l'ingresso.

I termistori hanno caratteristiche di valore di resistenza modificato a temperature diverse, in particolare a bassa temperatura Il termistore si comporta come un resistore di alto valore, mentre ad alte temperature fornisce una resistenza di basso valore. Questa proprietà viene utilizzata per l'applicazione di limitazione della corrente Inrush.

Durante l'avvio iniziale del circuito, l'NTC fornisce una resistenza di alto valore che riduce il flusso di corrente di spunto. Ma durante il circuito entra nella condizione di stato stazionario, la temperatura dell'NTC inizia ad aumentare, il che ha ulteriormente portato a una bassa resistenza. NTC è un metodo molto efficace per controllare la corrente di spunto.

Circuito Soft Start o Delay

Diversi tipi di regolatori di tensione I convertitori CC / CC utilizzano il circuito di avvio dolce o di ritardo per ridurre l'effetto della corrente di spunto. Questo tipo di funzionalità ci consente di modificare il tempo di salita dell'uscita che riduce efficacemente la corrente di uscita quando è collegata a un carico capacitivo di alto valore.

Ad esempio, l'Ultra-LDO TPS742 da 1,5 A di Texas Instruments offre un pin di avvio graduale programmabile in cui l'utente può configurare l'avvio lineare utilizzando un semplice condensatore esterno. Nello schema circuitale seguente, viene mostrato un circuito di esempio del TPS742 in cui il tempo di soft-start è configurabile utilizzando il pin SS utilizzando il condensatore CSS.

Dove e perché dobbiamo considerare il circuito di protezione della corrente di spunto?

Come discusso in precedenza, il circuito in cui esiste capacità o induttanza di alto valore, è richiesto un circuito di protezione della corrente di spunto. Il circuito della corrente di spunto stabilizza l'elevata richiesta di corrente nella fase iniziale di avviamento del circuito. Un circuito limitatore di corrente di spunto limita la corrente di ingresso e mantiene più sicuri la sorgente e il dispositivo host. Perché un'elevata corrente di spunto aumenta le possibilità di guasto del circuito e questo deve essere rifiutato. La corrente di spunto è dannosa per i seguenti motivi:

1. Una corrente di spunto elevata influisce sull'alimentazione della sorgente.
2. Spesso una corrente di spunto elevata fa diminuire la tensione della sorgente e si traduce in un ripristino del brownout per i circuiti basati su microcontrollori.
3. In pochi casi la quantità di corrente fornita al circuito supera la tensione massima accettabile del circuito di carico, causando danni permanenti al carico.
4. Nei motori CA ad alta tensione, l'elevata corrente di spunto fa scattare o talvolta brucia l'interruttore di alimentazione.
5. Le tracce della scheda PCB sono realizzate per trasportare un valore specifico di corrente. L'alta corrente potrebbe potenzialmente indebolire le tracce della scheda PCB.

Pertanto, per ridurre al minimo l'effetto della corrente di spunto, è importante fornire un circuito limitatore di corrente di spunto in cui la capacità di ingresso è molto alta o ha una grande induttanza.

Come misurare la corrente di spunto:

La sfida principale della misurazione della corrente di spunto è il breve lasso di tempo. La corrente di spunto si verifica per alcuni millisecondi (o anche microsecondi) a seconda della capacità di carico. Il valore dell'intervallo di tempo è generalmente diverso da 20-100 millisecondi.

Un modo più semplice è utilizzare la pinza amperometrica dedicata che ha la possibilità di misurare la corrente di spunto. Il misuratore viene attivato dalla corrente elevata e prende più campioni per ottenere la massima corrente di spunto.

Un altro metodo consiste nell'utilizzare un oscilloscopio ad alta frequenza, ma questo processo è un po 'complicato. È necessario utilizzare un resistore shunt di valore molto basso e due canali per il collegamento attraverso il resistore shunt. Utilizzando le diverse funzioni di queste due sonde si può ottenere la massima corrente di picco. Bisogna stare attenti durante il collegamento della sonda GND, un collegamento sbagliato attraverso il resistore potrebbe portare a un cortocircuito. Il GND deve essere collegato attraverso il circuito GND. L'immagine sotto è la rappresentazione della tecnica sopra menzionata.

Fattori da considerare durante la progettazione di un circuito di protezione dalla corrente di spunto:

Alcuni fattori e specifiche differenti devono essere presi in considerazione prima di scegliere il metodo di limitazione della corrente di spunto. Ecco un elenco di alcuni parametri essenziali:

1. Il valore di capacità del carico

La capacità del carico è un parametro essenziale per selezionare la specifica del circuito di limitazione della corrente di spunto. L'alta capacità richiede una corrente transitoria elevata durante l'avvio. In tal caso è necessario un efficace circuito di avviamento graduale.

2. Valutazione della corrente allo stato stazionario

La corrente allo stato stazionario è un fattore enorme per l'efficienza del limitatore di corrente. Ad esempio, l'elevata corrente a regime potrebbe portare a un aumento della temperatura e a una scarsa efficienza se viene utilizzato il metodo del limite del resistore. Il circuito di limitazione della corrente basato su NTC può essere una scelta.

3. Tempo di commutazione

La velocità di attivazione o disattivazione del carico durante un determinato intervallo di tempo è un altro parametro per scegliere il metodo di limitazione della corrente di spunto. Ad esempio, se il tempo di accensione / spegnimento è molto veloce, l'NTC non potrebbe proteggere il circuito dalla corrente di spunto. Perché, dopo un primo ciclo di reset, l'NTC non si raffredda se il circuito di carico viene spento e riacceso in un brevissimo lasso di tempo. pertanto la resistenza iniziale iniziale non può essere aumentata e la corrente di spunto viene bypassata attraverso l'NTC.

4. Funzionamento a bassa tensione e bassa corrente

In casi specifici, durante la progettazione del circuito, se la fonte di alimentazione e il carico sono presenti all'interno dello stesso circuito, è più saggio utilizzare un regolatore di tensione o LDO con funzione di avvio graduale per ridurre la corrente di spunto. In tal caso, l'applicazione è un'applicazione a bassa tensione e bassa corrente.