Corrente de pico - causas, efeitos, circuitos de proteção e técnicas de projeto

A durabilidade e confiabilidade de um circuito eletrônico são altamente dependentes de quão bem ele foi projetado considerando todas as probabilidades, o que poderia ocorrer praticamente quando o produto estiver realmente em uso. Isso é particularmente verdadeiro para todas as unidades de fonte de alimentação como conversores AC-DC ou circuitos SMPS, porque eles são conectados diretamente à rede AC e uma carga variável que os torna suscetíveis a sobretensões, picos de tensão, sobrecarga, etc. É por isso que os designers incluem muitos tipos de circuitos de proteção em seu projeto, já cobrimos muitos circuitos de proteção populares, nomeadamente

Proteção contra sobretensão
Proteção contra sobrecarga de corrente
Proteção contra polaridade reversa
Proteção de circuito de tiro

Discutimos anteriormente a corrente de inrush, neste artigo discutiremos como projetar circuitos limitadores de corrente de inrush, para proteger seus projetos de fonte de alimentação de correntes de inrush. Vamos primeiro entender o que é a corrente de inrush e a razão pela qual ela é gerada. Em seguida, discutiremos os diferentes tipos de projeto de circuito que podem ser usados para proteger a corrente de inrush e, finalmente, concluiremos com algumas dicas para proteger seu dispositivo contra a corrente de inrush. Então vamos começar.

O que é corrente de irrupção?

Como o nome sugere, o termo “corrente de inrush” indica que quando um dispositivo é ligado durante o estágio inicial, uma grande quantidade de corrente flui para o circuito. Por definição, pode ser definido como a corrente de entrada instantânea máxima consumida por um dispositivo elétrico quando é ligado. Este comportamento pode ser bem observado em cargas indutivas CA como Transformadores e Motores, onde o valor da corrente de inrush será normalmente vinte ou trinta vezes maior do que os valores nominais. Mesmo que o valor da corrente de pico seja muito alto, ela ocorre apenas por alguns milissegundos ou microssegundos, portanto, não pode ser notada sem um medidor. A corrente de pico também pode ser chamada de corrente de surto de entrada ou surto de ativaçãoatual com base na conveniência. Uma vez que este fenômeno é mais com cargas CA, o limitador de corrente AC Inrush é mais usado do que sua contraparte CC.

Cada circuito consome corrente de uma fonte, dependendo do estado do circuito. Vamos supor um circuito com três estados, ou seja, estado ocioso, estado normal de trabalho e estado máximo de trabalho. Em estado inativo, considere que o circuito consome 1mA de corrente, em um estado normal de funcionamento o circuito consome 500mA de corrente e no estado máximo de funcionamento pode consumir 1000mA ou 1A de corrente. Portanto, se o circuito funciona principalmente em um estado normal, podemos dizer que 500mA é a corrente em regime permanente para o circuito, enquanto 1A é a corrente de pico consumida pelo circuito.

Isso é bastante verdadeiro, fácil de trabalhar e matemática simples. Mas, como dito anteriormente, existe outro estado em que a corrente consumida pelo circuito pode ser 20 ou até 40 vezes maior do que a corrente em regime permanente. É o estado inicial ou energia no palco do circuito. Agora, por que essa alta corrente é repentinamente puxada pelo circuito quando é classificada para aplicação de baixa corrente? Como no exemplo anterior, 1mA para 1000mA.

O que causa a corrente de pico em um dispositivo?

Para responder às perguntas temos que entrar no magnetismo das bobinas do indutor e do motor, mas para começar vamos considerar que, é como mover um armário enorme ou puxar um carro, inicialmente, precisamos de alta energia, mas conforme as coisas começam a se mover, ela se torna Mais fácil. Exatamente a mesma coisa acontece dentro de um circuito. Quase todos os circuitos, especialmente fontes de alimentação, usam capacitores e indutores de alto valor, bobinas e transformadores (um indutor enorme), todos os quais puxam uma enorme corrente inicial para desenvolver o campo magnético ou elétrico necessário para sua operação. Assim, a entrada do circuito fornece repentinamente um caminho de baixa resistência (impedância) que permite que um grande valor de corrente flua para o circuito.

Capacitores e indutores se comportam de maneira diferente quando estão em uma condição totalmente carregada ou descarregada. Por exemplo, um capacitor quando está em uma condição totalmente descarregada atua como um curto-circuito devido à baixa impedância, enquanto um capacitor totalmente carregado suaviza a CC se conectado como um capacitor de filtro. No entanto, é um intervalo de tempo muito pequeno; em poucos milissegundos, o capacitor é carregado. Você também pode ler sobre os valores ESR e ESL de um capacitor para entender melhor como ele funciona em um circuito.

Por outro lado, transformadores, motores e indutores (todos os materiais relacionados à bobina) geram fem de volta durante a inicialização, também requerem corrente muito alta durante o estado de carregamento. Normalmente, poucos ciclos de corrente são necessários para estabilizar a corrente de entrada em um estado estacionário. Você também pode ler sobre o valor DCR no indutor para entender melhor como os indutores funcionam em um circuito.

Na imagem acima, um gráfico atual x tempo é mostrado. O tempo mostrado em milissegundos, mas também pode ser em microssegundos. No entanto, durante a inicialização, a corrente começa a aumentar e a corrente de pico máxima é 6A. É a corrente de pico que existe por um período de tempo muito curto. Mas após a corrente de pico, o fluxo de corrente fica estável em um valor de 0,5A ou em 500mA. Esta é a corrente de estado estacionário do circuito.

Portanto, quando a tensão de entrada é aplicada à fonte de alimentação ou em um circuito que tem capacitância ou indutância muito alta ou ambas, ocorre uma corrente de pico. Esta corrente inicial, conforme mostrado no gráfico de corrente de inrush, fica muito alta para causar o derretimento ou explosão da chave de entrada.

Circuitos de proteção de corrente de pico - Tipos

Existem muitos métodos para proteger seu dispositivo da corrente de pico e diferentes componentes estão disponíveis para proteger o circuito da corrente de pico. Aqui está a lista de métodos eficazes para superar a corrente de pico

Método de limite de resistor

Existem duas maneiras de projetar o limitador de corrente de inrush usando o método de limite do resistor. O primeiro é adicionar um resistor em série para reduzir o fluxo de corrente na linha do circuito e o outro é usar a impedância do filtro de linha na entrada da alimentação CA.

Mas este método não é uma maneira eficiente de adicionar através de um circuito de corrente de alta saída. A razão é óbvia porque inclui resistência. O resistor de corrente de inrush aquece durante a operação normal e reduz a eficiência. A potência do resistor depende do requisito da aplicação, normalmente varia entre 1W a 4W.

Termistor ou limitador de corrente baseado em NTC

O T hermistor é um resistor de temperatura acoplada que muda a resistência dependendo da temperatura. Em um inrush NTC, o circuito limitador de corrente é semelhante ao método de limitação do resistor, termistor ou NTC (coeficiente de temperatura negativo) também é usado em série com a entrada.

Os termistores têm características de valor de resistência alterado em diferentes temperaturas, especificamente, em baixa temperatura O termistor se comporta como um resistor de alto valor, enquanto que em altas temperaturas, ele fornece resistência de baixo valor. Esta propriedade é usada para o aplicativo de limitação de corrente de energização.

Durante a inicialização do circuito, o NTC fornece resistência de alto valor que diminui o fluxo de corrente de inrush. Mas durante o circuito vai para a condição de regime permanente, a temperatura do NTC começa a aumentar o que resultou ainda em baixa resistência. O NTC é um método muito eficaz de controlar a corrente de inrush.

Circuito de partida suave ou atraso

Diferentes tipos de reguladores de tensão DC / DC conversores usam a partida suave ou circuito de retardo para reduzir o efeito da corrente de inrush. Esse tipo de funcionalidade nos permite alterar o tempo de aumento de saída, o que reduz efetivamente a corrente de saída quando conectado a uma carga capacitiva de alto valor.

Por exemplo, 1.5A Ultra-LDO TPS742 da Texas Instruments oferece pino de partida suave programável onde o usuário pode configurar a partida linear usando um capacitor externo simples. No diagrama de circuito abaixo, um circuito de exemplo de TPS742 é mostrado onde o tempo de partida suave é configurável usando o pino SS usando o capacitor CSS.

Onde e por que devemos considerar o Circuito de Proteção de Corrente de Inrush?

Como discutido antes, o circuito onde existe capacitância ou indutância de alto valor, é necessário um circuito de proteção de corrente de inrush. O circuito de corrente de inrush estabiliza o requisito de alta corrente no estágio inicial de partida do circuito. Um circuito limitador de corrente de inrush limita a corrente de entrada e mantém a fonte e o dispositivo host mais seguros. Porque uma alta corrente de partida aumenta as chances de falha do circuito e isso precisa ser rejeitado. A corrente de pico é prejudicial pelos seguintes motivos -

A alta corrente de partida afeta a fonte de alimentação da fonte.
Freqüentemente, uma corrente de pico alta diminui a tensão da fonte e resulta em um reset de brownout para circuitos baseados em microcontroladores.
Em poucos casos, a quantidade de corrente fornecida ao circuito vai além da tensão máxima aceitável do circuito de carga, causando danos permanentes à carga.
Em motores CA de alta tensão, a alta corrente de pico faz com que o interruptor de alimentação desarme ou, às vezes, queime.
Os traços da placa PCB são feitos para transportar um valor específico de corrente. A alta corrente pode potencialmente enfraquecer os traços da placa PCB.

Portanto, para minimizar o efeito da corrente de inrush, é importante fornecer um circuito limitador de corrente de inrush onde a capacitância de entrada é muito alta ou tem uma grande indutância.

Como medir a corrente de pico:

O principal desafio de medir a corrente de inrush é o intervalo de tempo rápido. A corrente de pico ocorre por alguns milissegundos (ou mesmo microssegundos) dependendo da capacitância da carga. O valor do intervalo de tempo geralmente difere de 20-100 milissegundos.

Uma maneira mais fácil é usar o alicate amperímetro dedicado, que tem a opção de medir a corrente de pico. O medidor é acionado pela alta corrente e coleta várias amostras para obter a corrente de pico máxima.

Outro método é usar um osciloscópio de alta frequência, mas este processo é um pouco complicado. É necessário usar um resistor shunt de valor muito baixo e dois canais para conectar através do resistor shunt. Usando as diferentes funções dessas duas sondas, pode-se obter a corrente de pico máxima. É preciso ter cuidado ao conectar a ponta de prova GND, a conexão errada no resistor pode levar a um curto-circuito. O GND precisa ser conectado ao circuito GND. A imagem abaixo é a representação da técnica acima mencionada.

Fatores a serem considerados ao projetar um circuito de proteção de corrente de pico:

Alguns fatores e especificações diferentes devem ser levados em consideração antes de escolher o método de limitação de corrente de inrush. Aqui está uma lista de alguns parâmetros essenciais -

1. O valor da capacitância da carga

A capacitância da carga é um parâmetro essencial para selecionar a especificação do circuito de limitação de corrente de inrush. A alta capacitância requer uma alta corrente transitória durante a inicialização. Para tal, é necessário um circuito de partida suave eficaz.

2. Classificação atual de estado estacionário

A corrente de estado estacionário é um fator importante para a eficiência do limitador de corrente. Por exemplo, a alta corrente em regime permanente pode levar ao aumento da temperatura e baixa eficiência se o método de limite do resistor for usado. O circuito de limitação de corrente baseado em NTC pode ser uma escolha.

3. Tempo de troca

A rapidez com que a carga entra ou sai durante um determinado período de tempo é outro parâmetro para escolher o método de limitação de corrente de inrush. Por exemplo, se o tempo de ligar / desligar for muito rápido, o NTC não poderia proteger o circuito da corrente de pico. Porque, após uma reinicialização do primeiro ciclo, o NTC não é resfriado se o circuito de carga for desligado e ligado em um intervalo de tempo muito curto. portanto, a resistência de partida inicial não pode ser aumentada e a corrente de inrush é contornada através do NTC.

4. Operação de baixa tensão e baixa corrente

Em casos específicos, durante o projeto do circuito, se a fonte de alimentação e a carga estiverem dentro do mesmo circuito, é mais sensato usar regulador de tensão ou LDOs com facilidade de partida suave para reduzir a corrente de pico. Nesse caso, a aplicação é uma aplicação de baixa tensão de baixa corrente.