Einschaltstrom - Ursachen, Auswirkungen, Schutzschaltungen und Entwurfstechniken

Die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit einer elektronischen Schaltung hängt stark davon ab, wie gut sie unter Berücksichtigung aller Widrigkeiten ausgelegt ist, die praktisch auftreten können, wenn das Produkt tatsächlich verwendet wird. Dies gilt insbesondere für alle Netzteile wie AC-DC-Wandler oder SMPS-Schaltkreise, da diese direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen sind und eine unterschiedliche Last aufweist, die sie für Überspannungen, Spannungsspitzen, Überlastungen usw. anfällig macht Viele Arten von Schutzschaltungen in ihrem Design, wir haben bereits viele beliebte Schutzschaltungen nämlich abgedeckt

• Überspannungsschutz
• Überstromschutz
• Verpolungsschutz
• Schusskreisschutz

Wir haben bereits den Einschaltstrom erörtert. In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie Einschaltstrombegrenzungsschaltungen entwerfen, um Ihre Stromversorgungskonstruktionen vor Einschaltströmen zu schützen. Wir werden zuerst verstehen, was Einschaltstrom ist und warum er erzeugt wird. Anschließend werden die verschiedenen Arten des Schaltungsdesigns erläutert, mit denen der Einschaltstrom geschützt werden kann, und abschließend einige Tipps zum Schutz Ihres Geräts vor Einschaltstrom gegeben. Also lasst uns anfangen.

Was ist Einschaltstrom?

Wie der Name schon sagt, bedeutet der Begriff „Einschaltstrom“, dass beim Einschalten eines Geräts in der Anfangsphase eine große Menge Strom in den Stromkreis fließt. Per Definition kann es als der maximale momentane Eingangsstrom definiert werden, der von einem elektrischen Gerät beim Einschalten aufgenommen wird. Dieses Verhalten kann bei induktiven Wechselstromlasten wie Transformatoren und Motoren gut beobachtet werden, bei denen der Einschaltstrom normalerweise zwanzig- oder dreißigmal höher ist als die Nennwerte. Obwohl der Wert des Einschaltstroms sehr hoch ist, tritt er nur für einige Millisekunden oder Mikrosekunden auf und kann daher ohne einen Zähler nicht bemerkt werden. Der Einschaltstrom kann auch als Eingangsstoßstrom oder Einschaltstoß bezeichnet werdenStrom basierend auf Bequemlichkeit. Da dieses Phänomen eher bei Wechselstromlasten auftritt, wird der Wechselstrom-Einschaltstrombegrenzer häufiger verwendet als sein Gleichstrom-Gegenstück.

Jeder Stromkreis zieht abhängig vom Zustand des Stromkreises Strom aus einer Quelle. Nehmen wir eine Schaltung mit drei Zuständen an, nämlich Leerlaufzustand, normaler Arbeitszustand und maximaler Arbeitszustand. Im Ruhezustand zieht die Schaltung 1 mA Strom, im normalen Arbeitszustand 500 mA Strom und im maximalen Arbeitszustand 1000 mA oder 1A Strom. Wenn die Schaltung hauptsächlich in einem normalen Zustand arbeitet, können wir daher sagen, dass 500 mA der stationäre Strom für die Schaltung ist, während 1A der von der Schaltung aufgenommene Spitzenstrom ist.

Dies ist ziemlich wahr, leicht zu bearbeiten und einfach zu rechnen. Wie bereits erwähnt, gibt es jedoch einen anderen Zustand, in dem der von der Schaltung aufgenommene Strom 20- oder sogar 40-mal größer sein kann als der stationäre Strom. Dies ist der Ausgangszustand oder die Einschaltstufe der Schaltung. Warum wird dieser hohe Strom plötzlich von der Schaltung gezogen, da er für die Anwendung bei niedrigem Strom ausgelegt ist? Wie im vorherigen Beispiel 1 mA bis 1000 mA.

Was verursacht Einschaltstrom in einem Gerät?

Um die Fragen zu beantworten, müssen wir uns mit der Magnetik von Induktivitäts- und Motorspulen befassen, aber um zu beginnen, betrachten wir zunächst, dass es so ist, als würde man einen riesigen Schrank bewegen oder ein Auto ziehen. Zunächst brauchen wir viel Energie, aber als sich die Dinge in Bewegung setzen, wurde es einfacher. Genau das Gleiche passiert in einem Stromkreis. Nahezu jeder Stromkreis, insbesondere Stromversorgungen, verwendet Kondensatoren und Induktivitäten mit hohem Wert, Drosseln und Transformatoren (eine riesige Induktivität), die alle einen großen Anfangsstrom ziehen, um das für ihren Betrieb erforderliche magnetische oder elektrische Feld zu entwickeln. Somit liefert der Eingang der Schaltung plötzlich einen Pfad mit niedrigem Widerstand (Impedanz), der es ermöglicht, dass ein großer Stromwert in die Schaltung fließt.

Kondensatoren und Induktivitäten verhalten sich unterschiedlich, wenn sie sich in einem vollständig geladenen oder entladenen Zustand befinden. Beispielsweise wirkt ein Kondensator im vollständig entladenen Zustand aufgrund der niedrigen Impedanz als Kurzschluss, während ein vollständig geladener Kondensator den Gleichstrom glättet, wenn er als Filterkondensator angeschlossen wird. Es ist jedoch eine sehr kleine Zeitspanne; In wenigen Millisekunden wird der Kondensator aufgeladen. Sie können auch die ESR- und ESL-Werte eines Kondensators lesen, um besser zu verstehen, wie er in einer Schaltung funktioniert.

Auf der anderen Seite erzeugen Transformatoren, Motoren und Induktivitäten (alles spulenbezogene Dinge) während des Startvorgangs eine Gegen-EMK und benötigen auch während des Ladezustands einen sehr hohen Strom. Normalerweise sind nur wenige Stromzyklen erforderlich, um den Eingangsstrom in einem stabilen Zustand zu stabilisieren. Sie können auch den DCR-Wert in der Induktivität lesen, um besser zu verstehen, wie Induktoren in einer Schaltung funktionieren.

Im obigen Bild ist ein Strom-Zeit-Diagramm dargestellt. Die in Millisekunden angezeigte Zeit kann aber auch in Mikrosekunden angegeben werden. Während des Startvorgangs steigt der Strom jedoch an und der maximale Spitzenstrom beträgt 6A. Es ist der Einschaltstrom, der für eine sehr kurze Zeitspanne existiert. Nach dem Einschaltstrom wird der Stromfluss jedoch bei einem Wert von 0,5 A oder 500 mA stabil. Dies ist der stationäre Strom der Schaltung.

Wenn daher die Eingangsspannung an die Stromversorgung oder in eine Schaltung mit sehr hoher Kapazität oder Induktivität oder beidem angelegt wird, tritt ein Einschaltstrom auf. Dieser Anfangsstrom, wie im Einschaltstromdiagramm gezeigt, wird sehr hoch, wodurch der Eingangsschalter schmilzt oder aufgeblasen wird.

Einschaltstromschutzschaltungen - Typen

Es gibt viele Methoden, um Ihr Gerät vor Einschaltstrom zu schützen, und es stehen verschiedene Komponenten zur Verfügung, um den Stromkreis vor Einschaltstrom zu schützen. Hier ist die Liste der wirksamen Methoden zur Überwindung des Einschaltstroms.

Widerstandsbegrenzungsmethode

Es gibt zwei Möglichkeiten, den Einschaltstrombegrenzer mithilfe der Widerstandsbegrenzungsmethode zu entwerfen. Der erste besteht darin, einen Vorwiderstand hinzuzufügen, um den Stromfluss in der Schaltungsleitung zu verringern, und der andere darin, die Netzfilterimpedanz im Wechselstromversorgungseingang zu verwenden.

Diese Methode ist jedoch kein effizienter Weg, um über einen Stromkreis mit hohem Ausgangsstrom zu addieren. Der Grund liegt auf der Hand, weil er Widerstand beinhaltet. Der Einschaltstromwiderstand erwärmt sich während des normalen Betriebs und verringert den Wirkungsgrad. Die Widerstandsleistung hängt von den Anwendungsanforderungen ab und liegt typischerweise zwischen 1 W und 4 W.

Strombegrenzer auf Thermistor- oder NTC-Basis

Der T- Hermistor ist ein temperaturgekoppelter Widerstand, der den Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Bei einem NTC-Einschaltstrom ähnelt die Strombegrenzungsschaltung dem Widerstandsbegrenzungsverfahren. Thermistor oder NTC (negativer Temperaturkoeffizient) werden auch in Reihe mit dem Eingang verwendet.

Thermistoren haben Eigenschaften eines veränderten Widerstandswerts bei verschiedenen Temperaturen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Thermistoren verhalten sich wie hochohmige Widerstände, während sie bei hohen Temperaturen einen niedrigen Widerstandswert bieten. Diese Eigenschaft wird für die Einschaltstrombegrenzungsanwendung verwendet.

Während des ersten Starts der Schaltung liefert der NTC einen hohen Widerstand, der den Einschaltstromfluss verringert. Während die Schaltung in den stationären Zustand übergeht, steigt die Temperatur des NTC an, was weiter zu einem geringen Widerstand führt. NTC ist eine sehr effektive Methode zur Steuerung des Einschaltstroms.

Softstart- oder Verzögerungsschaltung

Verschiedene Arten von DC / DC-Wandlern mit Spannungsregler verwenden die Sanftanlauf- oder Verzögerungsschaltung, um den Einschaltstromeffekt zu reduzieren. Diese Art von Funktionalität ermöglicht es uns, die Ausgangsanstiegszeit zu ändern, wodurch der Ausgangsstrom effektiv reduziert wird, wenn er an eine hochwertige kapazitive Last angeschlossen wird.

Beispielsweise bietet der 1,5-A-Ultra-LDO- TPS742 von Texas Instruments einen programmierbaren Softstart-Pin, mit dem der Benutzer den linearen Start mithilfe eines einfachen externen Kondensators konfigurieren kann. Im folgenden Schaltplan ist eine Beispielschaltung von TPS742 gezeigt, bei der die Softstartzeit mithilfe des SS-Pins mithilfe des CSS-Kondensators konfiguriert werden kann.

Wo und warum müssen wir die Einschaltstromschutzschaltung in Betracht ziehen?

Wie zuvor erläutert, ist für die Schaltung, in der eine hohe Kapazität oder Induktivität vorhanden ist, eine Einschaltstromschutzschaltung erforderlich. Der Einschaltstromkreis stabilisiert den hohen Strombedarf in der Anfangsstartphase des Stromkreises. Eine Einschaltstrombegrenzungsschaltung begrenzt den Eingangsstrom und hält die Quelle und das Host-Gerät sicherer. Weil ein hoher Einschaltstrom die Ausfallwahrscheinlichkeit der Schaltung erhöht und dies zurückgewiesen werden muss. Einschaltstrom ist aus folgenden Gründen schädlich:

1. Ein hoher Einschaltstrom wirkt sich auf die Stromversorgung der Quelle aus.
2. Oft senkt ein hoher Einschaltstrom die Quellenspannung und führt zu einem Brownout-Reset für Schaltkreise auf Mikrocontrollerbasis.
3. In einigen Fällen überschreitet die dem Stromkreis zugeführte Strommenge die akzeptable maximale Spannung des Lastkreises, was zu einer dauerhaften Beschädigung der Last führt.
4. Bei Hochspannungs-Wechselstrommotoren führt der hohe Einschaltstrom dazu, dass der Netzschalter auslöst oder manchmal durchbrennt.
5. Die Leiterplattenspuren führen einen bestimmten Stromwert. Der hohe Strom könnte möglicherweise die Leiterplattenspuren schwächen.

Um den Effekt des Einschaltstroms zu minimieren, ist es daher wichtig, eine Einschaltstrombegrenzungsschaltung bereitzustellen, bei der die Eingangskapazität sehr hoch ist oder eine große Induktivität aufweist.

So messen Sie den Einschaltstrom:

Die größte Herausforderung bei der Messung des Einschaltstroms ist die schnelle Zeitspanne. Der Einschaltstrom tritt je nach Lastkapazität einige Millisekunden (oder sogar Mikrosekunden) lang auf. Der Wert der Zeitspanne unterscheidet sich im Allgemeinen von 20 bis 100 Millisekunden.

Eine einfache Möglichkeit ist die Verwendung des speziellen Zangenmessgeräts, mit dem der Einschaltstrom gemessen werden kann. Das Messgerät wird durch den hohen Strom ausgelöst und nimmt mehrere Abtastwerte, um den maximalen Einschaltstrom zu erhalten.

Eine andere Methode ist die Verwendung eines Hochfrequenzoszilloskops, aber dieser Vorgang ist etwas schwierig. Man muss einen Shunt-Widerstand mit sehr geringem Wert verwenden und zwei Kanäle benötigen, um über den Shunt-Widerstand angeschlossen zu werden. Durch Verwendung der unterschiedlichen Funktionen dieser beiden Sonden kann der maximale Spitzenstrom erzielt werden. Beim Anschließen der GND-Sonde ist Vorsicht geboten. Eine falsche Verbindung über den Widerstand kann zu einem Kurzschluss führen. Die GND muss über die Schaltung GND angeschlossen werden. Das folgende Bild ist die Darstellung der oben genannten Technik.

Faktoren, die beim Entwurf einer Einschaltstromschutzschaltung zu berücksichtigen sind:

Vor der Auswahl der Einschaltstrombegrenzungsmethode müssen einige unterschiedliche Faktoren und Spezifikationen berücksichtigt werden. Hier ist eine Liste einiger wesentlicher Parameter -

1. Der Kapazitätswert der Last

Die Kapazität der Last ist ein wesentlicher Parameter für die Auswahl der Spezifikation der Einschaltstrombegrenzungsschaltung. Eine hohe Kapazität erfordert während des Startvorgangs einen hohen Übergangsstrom. Für einen solchen Fall ist eine effektive Sanftanlaufschaltung erforderlich.

2. Steady-State-Stromstärke

Der stationäre Strom ist ein großer Faktor für die Effizienz des Strombegrenzers. Beispielsweise könnte der hohe stationäre Strom zu einer erhöhten Temperatur und einem schlechten Wirkungsgrad führen, wenn das Widerstandsgrenzverfahren verwendet wird. Eine NTC-basierte Strombegrenzungsschaltung kann eine Wahl sein.

3. Schaltzeit

Wie schnell die Last während eines bestimmten Zeitraums ein- oder ausgeschaltet wird, ist ein weiterer Parameter für die Auswahl der Einschaltstrombegrenzungsmethode. Wenn beispielsweise die Ein- / Ausschaltzeit sehr schnell ist, kann der NTC die Schaltung nicht vor Einschaltstrom schützen. Denn nach einem Zurücksetzen des ersten Zyklus wird der NTC nicht abgekühlt, wenn der Lastkreis in sehr kurzer Zeit aus- und wieder eingeschaltet wird. Daher konnte der anfängliche Startwiderstand nicht erhöht werden und der Einschaltstrom wird durch den NTC umgangen.

4. Niederspannungs- und Niedrigstrombetrieb

In bestimmten Fällen ist es während des Schaltungsentwurfs sinnvoller, einen Spannungsregler oder LDOs mit Sanftanlauffunktion zu verwenden, um den Einschaltstrom zu reduzieren, wenn die Stromquelle und die Last innerhalb desselben Stromkreises vorhanden sind. In einem solchen Fall ist die Anwendung eine Niederspannungs-Niedrigstromanwendung.