Ограничитель пускового тока своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 17.09.2024

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Никитин Д.П., Корнилов А.А., Букашев Ф.И., Петров Р.В.

Рассматривается вопрос ограничения пускового тока источника вторичного электропитания . Большой пусковой ток является значительной проблемой для источников вторичного электропитания . Этот процесс, повторяющийся лишь при включении, способен повредить всю систему. Для изучения этого физического процесса и уменьшения его влияния была разработана схема ограничителя пускового тока , изготовлен макет и проведены измерения пускового тока на примере источника вторичного электропитания серии СПНС 27-10-30. Результаты измерения приведены на осциллограммах, где подтверждается эффективность принятого подхода. Также в статье описан процесс происхождения пускового тока в источниках вторичного электропитания и даны рекомендации по его устранению.

INRUSH CURRENT LIMITER OF SWITCH-MODE POWER SUPPLY

In this paper, the limiting of inrush current in the switch-mode power supply (SMPS) has been studied. High inrush current is a significant problem for the SMPS. This process appears only when SMPS turns on but can damage the whole system. The circuit of the inrush current limiter has been developed to study this physical process and reduce its influence, the prototype has been produced, and the experimental results have been obtained. We used the SMPS СПНС 27-10-30 as a real source of the inrush current . The results are shown on the oscillograms, which confirm the effectiveness of our idea. The process of the inrush current appearance in the SMPS has been studied and the recommendations to its reduction have been proposed.

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПУСКОВОГО ТОКА ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Д.П.Никитин, А.А.Корнилов*, Ф.И.Букашев, Р.В.Петров INRUSH CURRENT LIMITER OF SWITCH-MODE POWER SUPPLY

D.P.Nikitin, A.A.Kornilov*, F.I.Bukashev, R.V.Petrov

Рассматривается вопрос ограничения пускового тока источника вторичного электропитания. Большой пусковой ток является значительной проблемой для источников вторичного электропитания. Этот процесс, повторяющийся лишь при включении, способен повредить всю систему. Для изучения этого физического процесса и уменьшения его влияния была разработана схема ограничителя пускового тока, изготовлен макет и проведены измерения пускового тока на примере источника вторичного электропитания серии СПНС 27-10-30. Результаты измерения приведены на осциллограммах, где подтверждается эффективность принятого подхода. Также в статье описан процесс происхождения пускового тока в источниках вторичного электропитания и даны рекомендации по его устранению.

Ключевые слова: пусковой ток, ограничитель пускового тока, источник вторичного электропитания

In this paper, the limiting of inrush current in the switch-mode power supply (SMPS) has been studied. High inrush current is a significant problem for the SMPS. This process appears only when SMPS turns on but can damage the whole system. The circuit of the inrush current limiter has been developed to study this physical process and reduce its influence, the prototype has been produced, and the experimental results have been obtained. We used the SMPS СПНС 27-10-30 as a real source of the inrush current. The results are shown on the oscillograms, which confirm the effectiveness of our idea. The process of the inrush current appearance in the SMPS has been studied and the recommendations to its reduction have been proposed. Keywords: inrush current, inrush current limiter, switch-mode power supply

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) являются неотъемлемой частью любого радиоэлектронного устройства. За последние годы номенклатура и функциональные возможности современных ИВЭП значительно расширились и существенно изменились. Это вызвано, прежде всего, непрерывным стремлением уменьшить мас-согабаритные характеристики ИВЭП, повысить их КПД за счет применения наиболее рациональных схем, использования высокочастотного преобразования энергии постоянного тока, экономичных импульсных методов регулирования, интегральных микросхем (ИМС). Повысились также требования к питающим напряжениям. Номинальные значения напряжений составляют единицы или десятки вольт при токах нагрузки в десятки ампер. Это приводит к созданию разнообразных структурных схем построения источников вторичного электропитания, каждая из которых находит применение в конкретных приложениях и условиях эксплуатации.

Одной из важных проблем источников вторичного электропитания является проблема пускового тока — пикового тока, возникающего в цепях источника питания при включении. Высокий пусковой ток существенно зависит от выбора элементов схемы. Существует проблема, заключающаяся в том, что большие скачки тока могут создавать электромагнитные помехи в питаемых схемах и приводить в действие (активизировать) элементы защиты цепей на входе, например, предохранитель или полупроводниковую защиту от сверхтоков [1].

Первоначально была разработана простая по структуре и принципу действия схема ограничителя пускового тока, в которой регулирующим элементом являлся мощный п-канальный МОП транзистор с бутстрепным конденсатором, включенным непосредственно между затвором этого транзистора и общим проводом (минусом). Сток МОП транзистора подключался ко входу, а исток — к выходу ограничителя тока. В свою очередь, импульсная схема перекачки заряда плавно поднимала напряжение на бутстрепном конденсаторе так, что напряжение на выходе ограничителя тока следовало за напряжением на бутстреп-ном конденсаторе.

Данной схеме был присущ ряд недостатков. Главный недостаток заключался в том, что схема ограничителя не контролировала состояние нагрузки на выходе. Вторым недостатком являлись элекромаг-нитные помехи, генерируемые импульсной схемой перекачки заряда.

С целью устранения данных недостатков была разработана схема ограничителя пускового тока на основе p-канального МОП транзистора, работающая по принципу мягкого старта с сервисными функциями. Данная работа поможет улучшить качество работы импульсного источника вторичного электропитания, продлить его срок службы и устранить электромагнитные помехи в момент включения и при переключении нагрузки.

Цель статьи — проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований и выявление зависимости от физических свойств компонентов источников вторичного электропитания с повышенным КПД, а также улучшение качества работы источников вторичного электропитания.

На рис.1 представлена схема упрощенной модели, в которой V1 — первичный источник питания (аккумуляторная батарея) 12 В, резистор R1 — ограничитель пускового тока, лимитирующий скорость нарастания тока на конденсаторе С1, который в свою очередь является емкостной нагрузкой, т.е. той самой емкостью во входной части источника вторичного электропитания, которая создаёт условия для плавного старта.

Рис.1. Упрощенная модель ограничителя пускового тока

Рис.2. Скорость заряда конденсатора С1

Рис.3. Стенд измерения пускового тока

электронная нагрузка Array 3721A включенная в ре-зистивном режиме, первичный источник питания — лабораторный источник питания Mastech HY5030E

Макетирование ограничителя пускового тока ИВЭП

Рис.5. Макет ограничителя пускового тока

Кривая пускового тока показана на рис.6. На ней видны два пиковых скачка тока. Первый скачок пускового тока отмечается при включении источника входного напряжения. Такой пиковый ток протекает через входные конденсаторы источника вторичного электропитания, заряжая их до уровня, необходимого для устойчивого режима работы. Второй скачок тока наблюдается при включении источника вторичного электропитания. Такой пиковый ток течет через силовой транс-

Рис.6. Скачок пускового тока СПНС 27-10-30 без ограничителя пускового тока, его величина I = 4,32А. 1 — первый скачок (пусковой ток), 2 — второй скачок (заряд выходной емкости)

Рис.7. Скачок пускового тока СПНС 27-10-30 с ограничителем пускового тока отсутствует

форматор источника вторичного электропитания и выходной конденсатор, в свою очередь, заряжает их до необходимого для устойчивого режима работы уровня. Пик тока фиксируется только один раз, если источник входного напряжения характеризуется очень быстрым временем восстановления напряжения. Для этого источник должен обладать достаточным запасом мощности. Как правило, резкое изменение напряжения бывает только в случаях механического переключения нагрузки. Второй пик тока на рис.6 также является важной частью пускового тока. Этот скачок отмечается, когда источник вторичного электропитания включается и направляет ток от входа для зарядки своего выходного конденсатора и конденсатора нагрузки. Ток включения остается одинаковым, независимо от того, включается ли преобразователь под воздействием входного напряжения или управляющим сигналом.

Основываясь на результатах работы макета ограничителя пускового тока для ИВЭП, можно сделать

вывод, что схема действительно помогает избежать пускового тока, об этом нам говорят осциллограммы на рис.6 и 7. Данная схема может быть внедрена в состав самого источника вторичного электропитания и позволит продлить его срок службы, уберегая внутренние компоненты изделия от броска пускового тока.

1. Джереми Феррел. Пусковой ток в DC/DC преобразователях // Вестник электроники. 2012. №3 (41). C.32-34.

1. Jeremy Ferrell. Puskovoi tok v DC/DC preobrazovateliakh [Inrush Current in DC-DC Converters]. Vestnik elektroniki, 2012, no. 3(41). P.32-34.

Ограничение пускового тока

Доброго времени суток!
Такая вот задачка. Хочу отказаться от предохранителей в плечах питания усилителя в пользу звука, оставить только сетевой на БП. Но амперник перегорает (Тороид у меня на 600Вт), сейчас работает на 5А! Помогите пож. с ограничителем пускового тока, а то кроме выпрямителя у меня никаких премудростей нет.

В цепь первички трансформатора ставишь резистор 10 Ом/5 Вт, а после конденсаторов фильтра БП ставишь реле, которое своими контактами будет замыкать этот резистор, когда всё запустится, зарядится и успокоится.

DoctorZlo, запросто не получится. Я поставил Дарлингтон, в базе 47 мкФ через 100к заряжается, нагрузкой реле. Дешево и сердито. Но есть косячек-с! Если вдруг начнется жрачка тока, предохранитель не сгорит, ток то ограничен, в то же время реле никогда не сработает и балластный резистор в первичке, того, сгорит. Ну и хрен бы с ним, скажешь ты, но главное, что бы он не поджег ничего и пожар не устроил.
Я не боюсь, мне так подходит.

Стив Робертс (Steve Roberts), менеджер по инновациям, Recom

Иван Гончаров, технический инженер отдела продаж, Rutronik

Все источники питания потребляют более высокий ток в момент включения, чем номинальное значение. Это связано с несколькими взаимосвязанными моментами – разные емкости во входной цепи и ЭМС-фильтре заряжаются, развивается электромагнитное поле в сердечнике трансформатора, а также заряжаются выходные емкости. Как только преобразователь выходит на стабильный уровень, входной ток падает до значения, определяемого общей потребляемой мощностью. Статья в пдф версии

Пусковой ток – краткое руководство

Все источники питания потребляют более высокий ток в момент включения, чем номинальное значение. Это связано с несколькими взаимосвязанными моментами – различные емкости во входной цепи и ЭМС фильтре заряжаются, развивается электромагнитное поле в сердечнике трансформатора, а также заряжаются и выходные емкости. Как только конвертер выходит на стабильный уровень входной ток падает до значения, определяемого общей потребляемой мощностью.

Обычной пусковой ток значительно превышает номинальный в течение очень короткого промежутка времени (десятки микросекунд). На Рисунке 1 показана осциллограмма 5Вт DC/DC конвертера, потребляющего 120мА от 48В источника при полной нагрузке, но максимальный пусковой ток составляет 1,34А или в 7 раз больше, чем номинальный! Если источник снабжён быстродействующей защитой от перегрузки это может вызвать ее срабатывание.

Большая часть пускового тока обусловлена зарядом входных конденсаторов, подключенных непосредственно на вход шины питания. При включении конденсатор ведет себя как короткозамкнутый элемент, а ток определяется выражением:

Где I_in(t) – ток через конденсатор, V_in – входное напряжение, R – сумма выходного сопротивления источника и ESR конденсатора, C — значение емкости. В нулевой момент времени (включение) t=0, экспонента равна 1, а ограничительным фактором является выходное сопротивление первичного источника и его возможность поддерживать выходной ток. При t >>1, экспонента близка к нулю и входной ток источника становится равен номинальному в рабочем режиме.

Рисунок 1: Типичная картина пускового тока DC/DC конвертера.

Рисунок 2: Пример перенапряжения при включении конвертера.

Причиной повышения входного напряжения выше номинального и отрицательного входного тока является то, что вся система является динамической во время переходного процесса включения. Полное сопротивление подводящих проводов, дорожек печатной платы, и разъемов является сложным и распределенным по всей линии и взаимодействующим с собственным сопротивлением преобразователя и нагрузки, создавая цепь, в которой возможно появление колебаний:

Рисунок 3. Сравнение упрощенной и эквивалентной схем подключения конвертера.

Как правило, пиковый пусковой ток является большей проблемой, чем повышение входного напряжения, за исключением случаев с длинными кабельными подключениями или использованием источника со сравнительно высоким выходным сопротивлением. В этом случае пиковое напряжение может превышать допустимое и вывести конвертер из строя.

Уменьшение входных перенапряжений

Простейшим методом уменьшения перенапряжений на конце длинной линии подключения является подключение электролитического конденсатора рядом со входом DC/DC конвертера. Он отличаются высокой емкостью и относительно высоким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Емкость сглаживает перенапряжения, а ESR помогает ослабить колебательный процесс.

В следующем примере светодиодный драйвер DC/DC подключен от 48В источника кабелем длинной 15м. На первом изображении можно наблюдать график напряжения на входе конвертера без конденсатора (пиковое значение = 71В), на втором – с конденсатором 100мкФ (55В) и на последнем – 220мкФ (чрезмерное подавление без превышения 48В).

Рисунок 4. Эффект от использования различных конденсаторов на входе конвертера при подключении длинным кабелем

Уменьшение пускового тока (AC/DC источники)

Во многих источниках питания AC/DC, высокий пусковой ток может вызывать срабатывание предохранителя или защиты от перегрузок. Решением может быть включение последовательного резистора для ограничения пускового тока на время включения.

Термистор с негативным температурным коэффициентом (NTC) является устройством обладающим большим сопротивлением в холодном состоянии и малым в разогретом. При включении сопротивление будет большим и ограничит пусковой ток. Затем термистор достаточно быстро разогревается и его сопротивление падает, позволяя конвертеру выдавать полную мощность. Несмотря на дешевизну и компактность данного решения, термистор значительно разогревается во время работы, что снижет общий КПД. Он также неэффективен, при кратковременном выключении питания, недостаточным для его охлаждения.

Более эффективным решением является использование реле или полупроводникового ключа для замыкания NTC термистора во время нормальной работы. Это более громоздкое и дорогое решением, но более эффективное и позволяющее отрабатывать краткосрочные выключения питания, поскольку термистор будет выключен во время нормальной работы.

Рисунок 5 показывает 2 модуля RECOM (RACM60 и RACM550), использующие разные методы: термистор и термистор и реле.

Рисунок 5. Ограничение пускового тока с помощью NTC термистора и термистора и реле.

Снижение пускового тока (DC/DC конвертеры)

Термистор может использоваться и в данном примере, но в этом случае могут возникнуть проблемы при запуске из-за слишком высокого сопротивления термистора в холодном состоянии. При чрезмерном ограничении входной ток может быть слишком мал для нормального запуска конвертера. Более распространенным решением является добавка индуктивности для снижения пускового тока. Дополнительно, данное решение может являться частью входного PI-фильтра для снижения проводящих помех. Пусковой ток распределяется между конденсатором C1 и ограниченным через индуктивность, требуемым для конденсатора C2 и конвертера (показано пунктиром).

Рисунок 6. Использование входного pi-фильтра для уменьшения пускового тока

Для мощных DC/DC конвертеров для достижения необходимого пускового тока размер входной индуктивности и стоимость могут стать неприемлемыми. Также для такого фильтра может проявляться эффект резонанса, и наблюдаться перенапряжение и нестабильная работа. Альтернативой является использование активной схемы ограничения пускового тока (схема плавного пуска), описанной в Книге Знаний RECOM DC/DC глава 4.7:

Рисунок 7. Схема плавного пуска с N-канальным КМОП ключом для обхода токоограничивающего резистора.

При включении питания транзистор Q₁ выключен, а входной ток преобразователя ограничен резистором R_limit. Конденсатор C₁ достаточно медленно заряжается через резистор R₁. Когда напряжение превышает пороговое на затворе КМОП транзистора, входной ток течет через открытый транзистор в обход токоограничивающего резистора. Резистор R₂ ограничивает напряжение на затворе на безопасном уровне, образуя резистивный делитель с R₁, и разряжает конденсатор C₁ для обеспечения работы схемы ограничения тока при повторном включении.

Схема, изображенная на Рисунке 7, использует недорогой N канальный КМОП транзистор, но ее недостатком является необходимость наличия мощного токоограничивающего резистора R_limit. При ограничении места резистор R_limit можно не устанавливать, тогда сопротивление канала транзистора используется в качестве токоограничивающего, но в данном случае процесс контролируется хуже. Схему можно инвертировать и использовать на положительной шине питания с P канальным транзистором, работающим совместно с резистором или в омической области. В данном случае при работе без дополнительного резистора, дополнительно осуществляется защита от переполюсовки (включения в обратной полярности). Для увеличение максимального тока можно использоваться параллельное включение 2-х или более транзисторов, как показано на рисунке 9. (серия RPMD компании RECOM).

Рисунок 8. Схема ограничения пускового тока с P канальным транзистором.

Обращайтесь к нам за консультациями

Пусковой ток может создавать проблемы для некоторых AC/DC и DC/DC конвертеров, вызывая срабатывание предохранителя или схемы защиты от перегрузки в первичном источнике питания, а также при неблагоприятном исходе, приводить к выходу преобразователя из строя. Тем не менее, есть несколько способов решения данной задачи. Если вы столкнулись с таким случаем – стоит обратиться в службу технической поддержки RECOM или к нашим опытным инженерам по продажам за советом.

Для всех мощных AC/DC преобразователей, RECOM встраивает схему плавного пуска в независимости от типа монтажа конвертера как для установки на плату, так и для внешнего монтажа. Тем не менее, при подключении множества источников на одну шину питания, например, в светодиодном освещении, при ограничении пускового тока для каждого из драйверов, суммарный пусковой ток все еще может быть достаточно большим. Поэтому компания RECOM указывает в технической спецификации максимальное количество AC/DC драйверов для каждого из типов автоматических выключателей (B, C или D) и номинального тока.

Авт, доктор Стефан Бенкхоф (Dr. Stefan Benkhof, менеджер-маркетолог EPCOS/TDK).

Высокие значения пусковых токов повсеместно можно встретить при работе такого оборудования, как системы привода, инверт е ры или в источник ах электропитания в момент включения. Поскольку в результате протекания большого тока выходу из строя подвержены, например, выпрямители преобразователей напряжения или предохранители, необходимо предпринять меры поуменьшению тока (рисунок 1) . Существует по крайней мере два метода ограничения пускового тока — пассивный и активный. В первом случае - это устройство защиты (ограничителя пускового тока - ОПТ ), устанавливаемое последовательно в цепь электропитания, во втором - использование схемы активного шунта, срабатывающей после того, как то к достигнет безопасного значения. Выбор метода ограничения сводится к конкретному применению и зависит от множества факторов: требуемой мощности, частотных характеристик броска тока, рабочей температуры окружающей среды и стоимости изделия.

Пассивный метод ограничения пускового тока.

Для преобразователей напряжения номинальной мощностью до нескольких Ватт наиболее приемлемым решением может служить включение малоомного резистора последовательно с нагрузкой.

При разработке источников питания все большее внимание уделяется уменьшению потерь мощности везде, где это возможно. В случае, когда номинальная мощность источника превышает 500Вт, эти недостатки становятся более очевидными. Если ОПТ включен на протяжении всего времени протекания тока, потери энергии становятся значительными. Увеличение номинальной мощности устройства и увеличение времени его запуска приводят к появлению нежелательных дополнительных энергетических потерь. Если предположить, что рассеиваемая мощность на NTC -термисторе составляет порядка 1% от общей мощности преобразователя, а КПД последнего равен 92%, то около 12,5% всех энергетических потерь придется на NTC -термистор.

Еще одним методом является применение активного ограничителя пускового тока (АОПТ) с использованием реле или симисторов. В зависимости от сферы применения схема активного ограничения пускового тока может содержать мощный резистор, NTC -термистор или позистор ( PTC -термистор с положительным температурным коэффициентом) в качестве компонента-ограничителя (рисунок 3). Позистор, например, используется в бортовых зарядных устройствах с подключаемыми гибридными или электрическими двигателями, когда требуется передать энергию мощностью в несколько киловатт. Преимущества АОПТ проявляются как на мощностях выше 500Вт, так и на меньших мощностях в различных сферах применения. Хотя стоимость АОПТ заметно выше, такой подход позволяет не только уменьшить потери энергии, но и применить менее мощные и, как следствие, более дешевые переключатели и полупроводники.

Для некоторых применений позистор демонстрирует самые лучшие характеристики в качестве ОПТ. Поскольку температура NTC -термистора зависит от температуры окружающей среды, при низких температурах его сопротивление выше, соответственно ток заряда накопителя ниже и время выхода на режим больше. С другой стороны, повышенная температура окружащей среды лишает NTC -термистор возможности ограничить пусковой ток вследствие его низкого сопротивления. Поэтому, такой подход не востребован для применений, где требуется широкий температурный диапазон. Для NTC -термисторов время остывания, после которого возможно произвести повторное включение с эффективным ограничением тока, варьируется от 30 до 120 с в зависимости от применения, типа крепления и температуры окружающей среды. Для некоторых применений не требуется продолжительного остывания, где происходит быстрый активный разряд конденсаторов в цепи постоянного тока, например, в инверторах для новых стиральных машин или сушилок. Однако, эффективное применение АОПТ в аппаратуре, где присутствуют короткие перерывы напряжения, может оказаться невозможным в связи с тем, что сопротивление термистора при каждом случае включения будет оставаться низким. В обоих случаях позисторы фирмы EPCOS будут являться эффективным средством ограничения пускового тока.

В НКУ позистор работает как омическое сопротивление номиналом от 20 до 500 Ом (в зависимости от типа). Этого сопротивления хватает для ограничения пускового тока. Как только накопитель полностью заряжен, позистор шунтируется короткозамкнутым реле.

В случае выхода из строя элементов цепи заряда конденсатора, позистор выполняет защитную функцию цепи нагрузки. При протекании тока через элемент, его сопротивление многократно возрастает, и, благодаря наличию таких защитных свойств, позистор может служить защитой от короткого замыкания конденсатора и в случае, если не сработал шунт после полного заряда накопительного конденсатора (отказ коммутирующего элемента).

Все эти явления отказов вызывают резкий скачок температуры ограничителя тока. Для полной уверенности, что эффекты КЗ и отказ реле не причинят вреда аппаратуре, следует устанавливать именно позистор или мощный резистор. Позисторы фирмы EPCOS не требуют предварительного ограничения тока, так как обладают защитными свойствами, и могут устанавливаться непосредственно в питающую сеть с соответсвующим номиналом пробивного напряжения. На рисунке 4 представлен процесс ограничения тока в результате короткого замыкания конденсатора.

В результате позисторы фирмы EPCOS (рисунок 5), применяющиеся в составе АОПТ, обладают замечательными свойствами:

- хорошая устойчивость к повышенной температуре окружающей среды.

- эффективное ограничение тока сразу же после отключения нагрузки (отсутствует необходимость охлаждения перед повторным запуском как у NTC -термисторов).

- собственная защита от перегрузки по току, вызванной аварийными ситуациями.

В таблице 1 представлен номенклатурный ряд элементов, основные параметры и наличие в наборах с образцами.

Для всех моделей ОПТ диапазон температур составляет от -20…до +85 С при работе на максимальном пробивном напряжении

График изменения сопротивления приведен в data sheet на сайте EPCOS для температурного диапазона -40…+180 С.

Читайте также: