تدفق التيار - الأسباب والتأثيرات ودوائر الحماية وتقنيات التصميم

تعتمد متانة وموثوقية الدائرة الإلكترونية بشكل كبير على مدى جودة تصميمها مع مراعاة جميع الاحتمالات ، والتي يمكن أن تحدث عمليًا عندما يكون المنتج قيد الاستخدام بالفعل. ينطبق هذا بشكل خاص على جميع وحدات الإمداد بالطاقة مثل محولات التيار المتردد والتيار المتردد أو دوائر SMPS لأنها متصلة مباشرة بأنابيب التيار المتردد وحمل متفاوت يجعلها عرضة للجهد الزائد وارتفاع الجهد والحمل الزائد وما إلى ذلك. العديد من أنواع دوائر الحماية في تصميمها ، لقد قمنا بالفعل بتغطية الكثير من دوائر الحماية الشائعة وهي

• الحماية من الفولت الزائد
• على الحماية الحالية
• عكس حماية قطبية
• حماية دائرة الرصاص

لقد ناقشنا سابقًا Inrush current ، في هذه المقالة سنناقش كيفية تصميم دارات محدد التيار المتدفق ، لحماية تصميمات مصدر الطاقة من التيارات المتدفقة. سوف نفهم أولاً ما هو تيار الاندفاع وسبب تولده. ثم سنناقش الأنواع المختلفة لتصميم الدوائر التي يمكن استخدامها لحماية تيار التدفق ونختتم أخيرًا ببعض النصائح لحماية جهازك من تدفق التيار. اذا هيا بنا نبدأ.

ما هو تيار Inrush؟

كما يوحي الاسم ، فإن مصطلح "تدفق التيار" يشير إلى أنه عند تشغيل الجهاز أثناء المرحلة الأولية ، فإن كمية هائلة من التيار يندفع إلى الدائرة. حسب التعريف ، يمكن تعريفه على أنه أقصى تيار إدخال فوري يتم سحبه بواسطة جهاز كهربائي عند تشغيله. يمكن ملاحظة هذا السلوك جيدًا في الأحمال الحثية للتيار المتردد مثل المحولات والمحركات ، حيث تكون قيمة تيار التدفق عادةً أكثر من القيم الاسمية بعشرين أو ثلاثين مرة. على الرغم من أن قيمة تيار الاندفاع عالية جدًا ، إلا أنها تحدث فقط لبضعة أجزاء من الألف من الثانية أو ميكروثانية ، وبالتالي لا يمكن ملاحظتها بدون مقياس. ويمكن أيضا أن يسمى تدفق الحالية كما زيادة المدخلات الحالية أو تبديل على ارتفاعالحالية على أساس الراحة. نظرًا لأن هذه الظاهرة تكون أكثر مع أحمال التيار المتردد ، فإن محدد تيار التيار المتردد يستخدم أكثر من نظيره في التيار المستمر.

تقوم كل دائرة بسحب التيار من مصدر اعتمادًا على حالة الدائرة. لنفترض دائرة بها ثلاث حالات ، وهي حالة الخمول وحالة العمل العادية وحالة العمل القصوى. في حالة الخمول ، تسحب الدائرة 1 مللي أمبير من التيار ، وفي حالة العمل العادية تسحب الدائرة 500 مللي أمبير من التيار وفي حالة العمل القصوى يمكنها سحب 1000 مللي أمبير أو 1 أمبير من التيار. لذلك ، إذا كانت الدائرة تعمل في الغالب في حالة طبيعية ، فيمكننا القول أن 500 مللي أمبير هي تيار الحالة المستقرة للدائرة ، في حين أن 1A هو تيار الذروة الذي ترسمه الدائرة.

هذا صحيح إلى حد ما ، وسهل العمل به ورياضيات بسيطة. ولكن ، كما ذكرنا سابقًا ، توجد حالة أخرى حيث يمكن أن يكون التيار الذي تسحبه الدائرة أكبر 20 أو حتى 40 مرة من تيار الحالة المستقرة. إنها الحالة الأولية أو القوة في مرحلة الدائرة. الآن ، لماذا يتم رسم هذا التيار العالي فجأة بواسطة الدائرة حيث تم تصنيفها لتطبيق التيار المنخفض؟ مثل المثال السابق ، 1mA إلى 1000mA.

ما الذي يسبب Inrush Current في الجهاز؟

للإجابة على الأسئلة ، علينا أن ندخل في مغناطيسات المحرِّض والملفات الحركية ، ولكن لنبدأ في التفكير في ذلك ، إنه مثل تحريك خزانة ضخمة أو سحب سيارة ، في البداية ، نحتاج إلى طاقة عالية ، ولكن عندما تبدأ الأشياء في التحرك ، أصبح الأمر أسهل. يحدث نفس الشيء بالضبط داخل الدائرة. تستخدم كل دائرة تقريبًا ، وخاصة إمدادات الطاقة ، مكثفات ومحثات ذات قيمة كبيرة ، وموانع ، ومحولات (محث ضخم) جميعها تسحب تيارًا أوليًا ضخمًا لتطوير المجال المغناطيسي أو الكهربائي المطلوب لتشغيلها. وبالتالي ، فإن إدخال الدائرة يوفر فجأة مسارًا منخفضًا للمقاومة (مقاومة) يسمح بتدفق قيمة كبيرة من التيار إلى الدائرة.

تتصرف المكثفات والمحاثات بشكل مختلف عندما تكون في حالة مشحونة بالكامل أو في حالة تفريغ. على سبيل المثال ، يعمل المكثف عندما يكون في حالة تفريغ كامل كدائرة كهربائية قصيرة بسبب المعاوقة المنخفضة ، بينما يعمل المكثف المشحون بالكامل على تنعيم التيار المستمر إذا تم توصيله كمكثف مرشح. ومع ذلك ، فهي فترة زمنية قصيرة جدًا ؛ يتم شحن المكثف في أجزاء قليلة من الثانية. يمكنك أيضًا أن تقرأ عن قيم ESR و ESL للمكثف لفهم كيفية عملها بشكل أفضل في الدائرة.

على الجانب الآخر ، تولد المحولات والمحركات والمحاثات (جميع الأشياء المتعلقة بالملف) قوة emf عائدة أثناء بدء التشغيل ، وتتطلب أيضًا تيارًا عاليًا جدًا أثناء حالة الشحن. عادة ، هناك حاجة إلى عدد قليل من الدورات الحالية لتثبيت تيار الإدخال إلى حالة مستقرة. يمكنك أيضًا أن تقرأ عن قيمة DCR في المحرِّض لفهم كيفية عمل المحرِّضات بشكل أفضل في الدائرة.

في الصورة أعلاه ، يتم عرض الرسم البياني الحالي مقابل الوقت. الوقت الموضح بالملي ثانية ولكن يمكن أن يكون بالميكروثانية أيضًا. ومع ذلك ، أثناء بدء التشغيل ، فإن البداية الحالية في الزيادة ويكون الحد الأقصى لتيار الذروة هو 6A. إنه تيار الاندفاع الموجود لفترة زمنية قصيرة جدًا. ولكن بعد تدفق التيار ، يصبح التدفق الحالي مستقرًا بقيمة 0.5A أو 500mA. هذا هو تيار الحالة المستقرة للدائرة.

لذلك ، عندما يتم تطبيق جهد الدخل على مصدر الطاقة أو في دائرة ذات سعة عالية جدًا أو محاثة أو كليهما ، يحدث تيار تدفق. يصبح هذا التيار الأولي كما هو موضح في الرسم البياني الحالي للاندفاع مرتفعًا جدًا مما يتسبب في ذوبان مفتاح الإدخال أو تفجيره.

دارات حماية التيار المتدفق - الأنواع

هناك العديد من الطرق لحماية جهازك من تدفق التيار ومكونات مختلفة متاحة لحماية الدائرة من تدفق التيار. فيما يلي قائمة بالطرق الفعالة للتغلب على تدفق التيار-

طريقة حد المقاوم

هناك طريقتان لتصميم محدد تدفق التيار باستخدام طريقة حد المقاوم. الأول هو إضافة المقاوم المتسلسل لتقليل التدفق الحالي في خط الدائرة والآخر هو استخدام ممانعة مرشح الخط في إدخال التيار المتردد.

لكن هذه الطريقة ليست طريقة فعالة للإضافة عبر دائرة تيار عالية الإخراج. والسبب واضح لأنه يشمل المقاومة. و المقاوم الحالي تدفق يحصل تسخينه أثناء التشغيل العادي ويقلل من الكفاءة. تعتمد القوة الكهربائية للمقاومة على متطلبات التطبيق ، وتتراوح عادةً بين 1 وات إلى 4 وات.

الثرمستور أو المحدد الحالي القائم على NTC

وT hermistor هو درجة حرارة المقاوم إلى جانب أن يغير المقاومة تبعا لدرجة الحرارة. في تدفق NTC ، تشبه دائرة المحدد الحالي طريقة تحديد المقاوم ، كما يستخدم الثرمستور أو NTC (معامل درجة الحرارة السلبية) في سلسلة مع المدخلات.

تتميز الثرمستورات بخصائص قيمة المقاومة المتغيرة عند درجات حرارة مختلفة ، على وجه التحديد ، في درجات الحرارة المنخفضة يتصرف الثرمستور كمقاوم عالي القيمة ، بينما في درجات الحرارة العالية ، فإنه يوفر مقاومة منخفضة القيمة. يتم استخدام هذه الخاصية لتطبيق الحد الحالي Inrush.

أثناء بدء التشغيل الأولي للدائرة ، يوفر NTC مقاومة عالية القيمة تقلل من تدفق تيار الاندفاع. ولكن أثناء دخول الدائرة إلى حالة الاستقرار ، تبدأ درجة حرارة NTC في الزيادة مما أدى إلى مزيد من المقاومة المنخفضة. NTC هي طريقة فعالة للغاية للتحكم في تدفق التيار.

بداية ناعمة أو دارة تأخير

يستخدم نوع مختلف من محولات DC / DC منظم الجهد الكهربائي دائرة البداية أو التأخير الناعمة لتقليل تأثير تيار التدفق. يمكّننا هذا النوع من الوظائف من تغيير وقت ارتفاع الخرج مما يقلل بشكل فعال من تيار الخرج عند الاتصال بحمل سعوي عالي القيمة.

على سبيل المثال ، يوفر 1.5A Ultra-LDO TPS742 من Texas Instruments دبوس بدء ناعم قابل للبرمجة حيث يمكن للمستخدم تكوين Linear Start Up باستخدام مكثف خارجي بسيط. في الرسم البياني أدناه ، يظهر مثال لدائرة TPS742 حيث يكون وقت البدء الناعم قابلاً للتكوين باستخدام دبوس SS باستخدام مكثف CSS.

أين ولماذا نحتاج إلى النظر في دائرة حماية Inrush الحالية؟

كما تمت مناقشته من قبل ، الدائرة حيث توجد السعة عالية القيمة أو المحاثة ، يلزم وجود دائرة حماية تيار التدفق. تعمل دائرة تيار الاندفاع على تثبيت متطلبات التيار العالي في مرحلة البداية الأولية للدائرة. تحد دائرة محدد التيار الداخل من تيار الإدخال وتحافظ على أمان المصدر والجهاز المضيف. لأن تيار الاندفاع العالي يزيد من فرص فشل الدائرة وهذا يحتاج إلى رفض. إن تدفق التيار ضار للأسباب التالية-

1. يؤثر تيار التدفق العالي على مصدر إمداد الطاقة.
2. غالبًا ما يسقط تيار التدفق المرتفع جهد المصدر وينتج عنه إعادة ضبط اللون البني للدوائر القائمة على المتحكم الدقيق.
3. في حالات قليلة ، يتجاوز مقدار التيار المزود للدائرة الحد الأقصى المقبول للجهد لدائرة الحمل ، مما يتسبب في تلف دائم للحمل.
4. في محركات التيار المتردد ذات الجهد العالي ، يتسبب تيار التدفق العالي في توقف مفتاح الطاقة أو إحراقه في بعض الأحيان.
5. يتم إجراء آثار لوحة PCB لتحمل قيمة محددة للتيار. قد يؤدي التيار العالي إلى إضعاف آثار لوحة PCB.

لذلك ، لتقليل تأثير تيار الاندفاع ، من المهم توفير دائرة محدد تيار تدفق حيث تكون سعة الإدخال عالية جدًا أو يكون لها محاثة كبيرة.

كيفية قياس تيار Inrush:

التحدي الرئيسي لقياس تيار الاندفاع هو مدى الوقت السريع. يحدث تيار الاندفاع لبضعة أجزاء من الألف من الثانية (أو حتى ميكروثانية) اعتمادًا على سعة الحمل. تختلف قيمة الفترة الزمنية بشكل عام من 20-100 مللي ثانية.

أسهل طريقة هي استخدام مقياس الملزمة المخصص الذي لديه خيار قياس تيار التدفق. يتم تشغيل العداد بالتيار العالي ويأخذ عينات متعددة للحصول على أقصى تيار تدفق.

طريقة أخرى هي استخدام راسم الذبذبات عالي التردد ولكن هذه العملية صعبة بعض الشيء. يحتاج المرء إلى استخدام مقاوم تحويل منخفض القيمة للغاية ويتطلب قناتين للاتصال عبر المقاوم التحويل. باستخدام الوظائف المختلفة لهذين المجسين ، يمكن للمرء الحصول على أقصى تيار للذروة. يحتاج المرء إلى توخي الحذر أثناء توصيل مسبار GND ، فقد يؤدي الاتصال الخاطئ عبر المقاوم إلى دائرة كهربائية قصيرة. يجب توصيل GND عبر دائرة GND. الصورة أدناه هي تمثيل للتقنية المذكورة أعلاه.

العوامل التي يجب مراعاتها أثناء تصميم دائرة حماية التيار الداخلي:

هناك حاجة إلى أخذ بعض العوامل والمواصفات المختلفة في الاعتبار قبل اختيار طريقة الحد من تدفق التيار. فيما يلي قائمة ببعض المعلمات الأساسية -

1. قيمة سعة الحمولة

سعة الحمل هي معلمات أساسية لتحديد مواصفات دارة الحد من تدفق التيار. تتطلب السعة العالية تيارًا عابرًا عاليًا أثناء بدء التشغيل. في مثل هذه الحالة ، يلزم وجود دائرة بداية ناعمة فعالة.

2. حالة ثابتة التصنيف الحالي

تيار الحالة المستقرة هو عامل ضخم لكفاءة المحدد الحالي. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي تيار الحالة المستقرة العالي إلى زيادة درجة الحرارة وضعف الكفاءة إذا تم استخدام طريقة حد المقاوم. يمكن أن تكون دائرة الحد الحالية القائمة على NTC اختيارًا.

3. تبديل الوقت

إن مدى سرعة تشغيل أو إيقاف التحميل خلال إطار زمني معين هو معلمة أخرى لاختيار طريقة الحد من تدفق التيار. على سبيل المثال ، إذا كان وقت التشغيل / الإيقاف سريعًا جدًا ، فلن يتمكن NTC من حماية الدائرة من تدفق التيار. لأنه بعد إعادة تعيين الدورة الأولى ، لا يتم تبريد NTC إذا تم إيقاف تشغيل دائرة التحميل وتشغيلها في فترة زمنية قصيرة جدًا. لذلك لا يمكن زيادة مقاومة البداية الأولية ويتم تجاوز تيار الاندفاع عبر NTC.

4. الجهد المنخفض وعملية التيار المنخفض

في حالات محددة ، أثناء تصميم الدائرة ، إذا كان مصدر الطاقة والحمل موجودًا داخل نفس الدائرة ، فمن الحكمة استخدام منظم الجهد أو LDOs مع تسهيل بدء التشغيل الناعم لتقليل تيار التدفق. في مثل هذه الحالة ، يكون التطبيق عبارة عن تطبيق تيار منخفض الجهد المنخفض.