Как ограничить ток в цепи

Эффективные методы ограничения пускового тока источников питания

Специалисты известного производителя источников электропитания, китайской компании MORNSUN рассматривают методы ограничения пускового тока ИП, рассказывают о преимуществах управляемых электронных ключей и о применении схемы ограничения пускового тока совместно с бортовым источником питания для железнодорожного транспорта производства MORNSUN.

Разнообразные источники питания (ИП) широко применяются не только в бытовой технике и на транспорте, но и в самых разных отраслях промышленности.

Для фильтрации пульсаций тока и обеспечения стабильной работы на входе любого ИП присутствуют электролитические конденсаторы. Наличие этих конденсаторов приводит к тому, что в момент подачи входного напряжения возникает бросок тока, который может вызвать перегорание плавкого предохранителя или срабатывание автоматического выключателя, устанавливаемых последовательно со входом источника питания для защиты от сверхтоков. В данной статье рассмотрены различные методы, которые применяются для ограничения пускового тока источников питания.

Причины возникновения пускового тока

Цепь, в которой возникает пусковой ток, показана на рисунке 1.

Рис. 1. Цепь протекания пускового тока

При включении питающей сети входное напряжение (Vin) резко увеличивается и заряжает входные конденсаторы, имеющие достаточно большую суммарную емкость (Cin), через эквивалентное входное сопротивление (Rin).

Если во входной цепи отсутствует схема ограничения пускового тока, то сопротивление Rin в основном складывается из сопротивления дорожек печатной платы, сопротивления обмоток дросселей входного помехоподавляющего фильтра, сопротивления межблочных проводников и прочего. Очевидно, что сопротивление Rin относительно невелико (ничтожно мало по сравнению с сопротивлением схемы ограничения пускового тока), вследствие чего возникает практически ничем не ограниченный большой пусковой ток.

Как показано на рисунке 2, при Vin = 110 В постоянного тока и Cin = 100 мкФ величина пускового тока (Iin), если не предусмотреть мер по его ограничению, достигает значения 170 А.

Рис. 2. Типичная форма сигнала входного пускового тока

Место установки схемы ограничения пускового тока

Место установки схемы ограничения пускового тока относительно других компонентов входной цепи показано на рисунке 3.

Рис. 3. Место установки схемы ограничения пускового тока

Чрезмерно большой входной пусковой ток может вызвать перегорание входного предохранителя или срабатывание автоматического выключателя. Поэтому крайне важно принимать меры по ограничению пускового тока, особенно при проектировании систем, в которых предъявляются повышенные требования к надежности.

Сравнение методов ограничения пускового тока

Для ограничения пускового тока источников питания обычно применяют следующие методы:

Метод 1: Ограничение пускового тока резистором (R1), включенным последовательно со входом источника питания, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Ограничение пускового тока резистором

В момент включения источника питания напряжение на входной емкости (Cin) равно нулю, и максимальный пусковой ток равен Iin = Vin/R1. Очевидно, что для эффективного ограничения входного тока резистор R1 должен иметь достаточно большое сопротивление. С другой стороны, ток, постоянно протекающий через резистор R1 при работе источника питания, вызывает сильный нагрев этого резистора и приводит к уменьшению КПД источника питания.

Рассмотрим следующий пример. Пусть Vin = 110 В постоянного тока, выходная мощность Po = 100 Вт, КПД ƞ = 93%, допустимый пусковой ток Iin ≤ 10 А. В этом случае сопротивление резистора R1 должно быть равно R1 = Po/Ιin ≧ 10 Ом, при этом постоянный ток через резистор IR1 будет равен IR1 = Po/(ƞ * Vin) ≈ 0,98 A, а мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составит PR1 = IR1² * R1 ≧ 10,5 Вт. Однако учитывая максимально допустимые температуру и габаритные размеры резистора R1, мощность PR1 обычно ограничивают на уровне 1 Вт. Следовательно, исходя из предыдущей формулы, данный метод применим только для источников питания мощностью не более 30 Вт. Для источников питания большей мощности необходимо использовать более эффективные методы.

Метод 2: Ограничение пускового тока терморезистором с отрицательным ТКС (RT), включенным последовательно со входом источника питания, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Ограничение пускового тока терморезистором с отрицательным ТКС

Применение терморезистора с отрицательным ТКС (термистора) решает проблему сильного тепловыделения и снижения КПД, присущую предыдущему методу ограничения пускового тока.

В момент включения источника питания сопротивление термистора велико, благодаря чему происходит эффективное ограничение пускового тока. По мере разогрева термистора под действием тока заряда входной емкости, а затем и тока нагрузки, его сопротивление уменьшается, вследствие чего он практически не оказывает влияния на работу источника питания.

Преимущество данного метода заключается в меньшем тепловыделении и меньшем влиянии на КПД источника питания. Однако следует помнить, что с ростом температуры окружающей среды сопротивление термистора уменьшается, а время его восстановления, наоборот, увеличивается. Соответственно, данный метод имеет ряд существенных недостатков, обусловленных характеристиками термистора:

• При повышенной температуре окружающей среды сопротивление термистора будет мало и не позволит ограничить пусковой ток на требуемом уровне.
• При пониженной температуре окружающей среды сопротивление термистора будет очень велико, что затруднит, а то и сделает невозможным запуск источника питания.
• При частой коммутации, например, когда источник питания включается сразу после выключения, сопротивление термистора не успевает восстановиться и ограничение пускового тока происходит не так эффективно.

Метод 3: Ограничение пускового тока последовательно включенным резистором (R1), выводы которого могут закорачиваться контактами реле (S1) отдельной схемы управления, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Ограничение пускового тока резистором, коммутируемым отдельной схемой управления

Данный метод позволяет преодолеть недостатки обоих ранее рассмотренных методов. В момент включения источника питания контакты S1 разомкнуты и резистор R1 ограничивает пусковой ток. Через некоторое время, определяемое схемой управления, контакты S1 замыкаются и подключают источник питания непосредственно к питающей сети.

Метод 3 имеет следующие преимущества:

• Эффективное ограничение пускового тока. Поскольку параметры компонентов R1, S1 и схемы управления менее подвержены влиянию температуры, эффективность ограничения пускового тока практически не зависит от температуры окружающей среды.
• Чрезвычайно малые потери и тепловыделение на резисторе и контактах реле, благодаря чему схема ограничения пускового тока практически не влияет на КПД источника питания.
• Малое время восстановления схемы управления, что обеспечивает эффективное ограничение пускового тока даже при частой коммутации источника питания.

Метод 4: Ограничение пускового тока при помощи управляемого электронного ключа (S1), включенного последовательно со входом источника питания, как показано на рисунке 7. Отдельная схема управления контролирует сопротивление электронного ключа S1, обеспечивая тем самым стабилизацию входного тока.

Рис. 7. Ограничение пускового тока электронным ключом с управляемым сопротивлением

Данный метод также позволяет преодолеть недостатки методов 1 и 2. В то же время он имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущим:

• Отсутствие резистора R1 позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты оборудования.
• Стабилизация тока посредством электронного ключа обеспечивает эффективное ограничение пускового тока при различных значениях входного напряжения.

Исходя из всего ранее сказанного, при создании устройств с повышенными требованиями к эффективности и надежности для ограничения пускового тока следует использовать метод 3 или 4.

Надежность источника питания

Вряд ли кто-то будет спорить с утверждением, что источники питания должны иметь высокую надежность. Они подвергаются воздействию окружающей среды (охлаждение, нагрев при пониженной и повышенной влажности, вибрация, удары и т.п.), электромагнитного излучения (кондуктивные и излучаемые помехи, быстрые переходные процессы, перенапряжение, скачки напряжения, статические разряды и т.д.) и других факторов. Поэтому при разработке источников питания в обязательном порядке учитывают влияние указанных факторов на параметры схемы, срок службы устройства и прочие технические характеристики.

Можно выделить три основных аспекта, определяющих надежность источника питания:

• Надежность конструкции: выбор соответствующих схемотехнических решений, проведение нагрузочных и тепловых расчетов, проектирование с учетом требований безопасности, обеспечение электромагнитной совместимости.
• Надежность комплектующих: выбор комплектующих с требуемыми показателями надежности, такими как частота отказов, среднее время безотказной работы и срок службы
• Надежность производства: технологичность изготовления, условия производства и компетентность производственного персонала

Применение модулей питания

В качестве примера рассмотрим использование модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN в блоке управления тягой электровоза, показанное на рисунке 8.

Рис. 8. Применение модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN в блоке управления тягой электровоза

Напряжение бортовой сети ж/д состава (110 В постоянного тока), прежде чем попасть на вход модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN, проходит через схему ограничения пускового тока, схему защиты от сверхтоков и входной помехоподавляющий фильтр. Модули DC/DC-преобразователей преобразуют это напряжение в выходные напряжения трех разных номиналов, которые после фильтрации используются для питания различных нагрузок.

Бортовой источник питания содержит схему ограничения входного пускового тока, входной помехоподавляющий фильтр, а также схему защиты (от переполюсовки, от повышенного и пониженного напряжения, от перегрузки по току, от короткого замыкания и так далее). Такой встраиваемый бортовой источник питания (см. рисунок 9) имеет выходной пусковой ток менее 10 А (рисунок 10) и удовлетворяет требованиям железнодорожного стандарта EN50155.

Рис. 9. Встраиваемые бортовые источники питания на базе модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN

Рис. 10. Форма сигнала пускового тока универсального модуля DC/DC-преобразователя компании MORNSUN для установки на печатную плату

Заключение

Источники питания широко используются в самом разном оборудовании, и везде, где бы они не применялись, необходимо предпринимать меры по ограничению их пускового тока. Компания MORNSUN всеми силами старается удовлетворить потребности своих клиентов и предлагает как универсальные источники питания общего назначения, так и специализированные интегрированные модули питания для железнодорожного транспорта и других отраслей промышленности. Применение этих изделий позволяет упростить процесс разработки и уменьшить длительность цикла испытаний, одновременно улучшая стабильность работы, безопасность и надежность оборудования заказчика.

Перевел А. Евстифеев по заказу АО Компэл

Как ограничить ток в цепи

Текущее время: Пн фев 05, 2024 05:54:47

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Запрошенной темы не существует.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y

Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024

Ограничитель тока в электрических и электронных сетях

Ограничитель тока (ОТ) — устройство, которое применяется в электрических или электронных схемах для снижения верхнего предела постоянного (DC) или переменного (АС) тока, поступающего к нагрузке. Этим обеспечивается своевременная надёжная защита схем генерации или электронных систем от вредных воздействий из-за короткого замыкания в сети или других негативных процессов, приводящих к резкому росту АС/DC.

Методы ограничения используются для контроля количества тока, протекающего в постоянной или переменной цепи. Устройство гарантирует, что в случае превышения его граничного размера защита надёжно и своевременно сработает. Токоограничивающие устройства могут применяться в различных модификациях в зависимости от чувствительности, нормативной токовой нагрузки, времени отклика и возможных причин возникновения короткого замыкания в сети.

Избыточный АС/DC может возникать во внутренней цепи из-за короткозамкнутых компонентов, таких как диоды, транзисторы, конденсаторы или трансформаторы, а также проблем внешнего характера при перегрузке сетевых объектов, в замыкающей цепи или перенапряжение на входных клеммах питания.

Типы ограничивающих устройств

Выбор защитных устройств зависит от нескольких факторов. Приборы бывают пассивные и активные, могут использоваться индивидуально или в виде комбинации. Обычно ограничитель соединяют последовательно с нагрузкой.

Виды ограничивающих устройств:

1. Предохранители и резисторы. Они используются для простого ограничения тока. Предохранитель обычно срабатывает, если его АС/DC превышает номинальный размер. Резисторы интегрированы в конструкцию схемы. Правильное значение сопротивления можно рассчитать и с использованием закона Ома I = V / R (где I — ток, V — напряжение и R — сопротивление). На рынке электротоваров имеется большое количество различных предохранителей, которые могут удовлетворить любые потребности для рассеивания мощности.
2. Автоматические выключатели. Они используются для отключения питания, как и предохранитель, но их реакция медленнее и может не срабатывать для особо чувствительных цепей дорогостоящего оборудования.
3. Термисторы. Термисторы отрицательных температурных коэффициентов (NTC) используются для ограничения начальных импульсных токов, которые протекают, когда устройство подключено к электросети. Термисторы имеют значительное сопротивление в холодном состоянии и низкое сопротивление при значительных температурах. NTC ограничивает пусковой ток мгновенно.
4. Транзисторы и диоды. Регулируемые блоки питания используют схемы ограничения, такие как интегральные схемы, транзисторы и диоды. Активные схемы подходят для чувствительных сетей и срабатывают, уменьшая нагрузку или выключают питание, на повреждённую короткозамкнутую цепь или на всю сеть.
5. Токоограничивающие диоды используются для ограничения или регулировки в широком диапазоне напряжений. Двухконтактное устройство ОТ состоит из затвора, закороченного на источник. Он поддерживает DC независимо от изменений напряжения.

Ограничитель тока нагрузки в электросетях

Системы распределения энергии имеют автоматические выключатели для выключения питания в случае неисправности. Они имеют определённые недостатки в обеспечении необходимой надёжности, так как не всегда могут отключать минимально необходимый аварийный участок сети для ремонта. Проблема возникает при реконструкции электроснабжения путём добавления новой мощности или перекрёстных соединений, которые должны иметь свои шины и выключатели, модернизированные для более высоких пределов тока короткого замыкания (ТКЗ).

Улучшение качества электроэнергии в сетях напрямую зависит от надёжности режима работы сетевого оборудования. Среди различных типов помех, влияющих на качество напряжения в сети (скачки, искажения гармоник и т. д. ), наиболее серьёзным препятствием являются падения напряжения, так как связанные с ним скачки фазового угла могут привести к поломке оборудования, к полной остановке производства, объектов ЖКХ, что со скоростью цепной реакции создаст угрозу жизнеобеспечения населения.

Общей причиной падения напряжения является ток короткого замыкания. При возникновении неисправности в распределительной сети на всех повреждённых шинах резко падает напряжение. Уровень зависит от точки подключения и электрического расстояния шины до места аварии.

Для снижения негативных процессов и отключения неисправных участков сети применяются следующие ограничители:

• Распределительный статический компенсатор;
• рекуператор динамического напряжения;
• конденсатор с контролируемым тиристором;
• полупроводниковый коммутатор статического переноса;
• твердотельный ограничитель тока неисправности.

Такие защитные устройства не всегда совершенны. Некоторые из них имеют недостаток из-за высокой стоимости, а другие могут ограничить ток повреждения менее чем в 5 раз от нормального тока, что недостаточно при перегрузках.

Точки применения токовых ограничителей в электросиловом оборудовании:

• До места срабатывания головного выключателя на аварийном фидере нагрузок потребителей с недопустимостью перерывов в электроснабжении;
• на оборудовании, рабочие характеристики которого перестают соответствовать предельному току короткого замыкания, возросшему в связи с аварийной ситуацией в системах электроснабжения.

Простым решением ОТ в электросетевом оборудовании является добавление сопротивления в схему. Это ограничивает скорость, с которой может увеличиваться ТКЗ до того, как выключатель разомкнут, но также ограничивает способность схемы удовлетворять быстроменяющийся потребительский спрос, поэтому добавление или удаление больших нагрузок вызывает нестабильную мощность.

Применение токозащиты в электронных схемах

Пусковой ток возникает в момент подачи выключателем напряжения. Это происходит потому, что разница эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора и сопротивление линии составляет всего несколько милидолей и приводит к большому пусковому току. Четыре фактора, которые могут влиять на этот процесс:

1. Значение входного переменного тока.
2. Минимальное сопротивление, требуемое термистором NTC (при t = 0).
3. Постоянный DC.
4. Температура окружающей среды.

Ограничитель тока представляет собой устройство или группу устройств, используемых для защиты элементов схемы от пусковой нагрузки. Термисторы и резисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) — это 2 простых варианта защиты. Их основными недостатками являются длительное время охлаждения и большая рассеиваемая мощность. Токоограничивающий диод регулирует или ограничивает ток в широком диапазоне. Они состоят из JFET с затвором, закороченным на источник и функционирующим как двухконтактный ограничитель тока.

Они позволяют проходящему через них току подниматься до определённого значения и сравниться с заданной величиной. В отличие от диодов Зенера, они сохраняют постоянный ток, а не напряжение. Токоограничивающие диоды удерживают ток, протекающий через них, неизменным при любом изменении нагрузки.

Типы токоограничивающих диодов

Существует множество различных типов токоограничивающих диодов, классифицирующихся по:

• номинальному току регулятора;
• максимальному предельному напряжению;
• рабочему напряжению;
• потребляемой мощности.

Наиболее распространёнными значениями максимального используемого напряжения являются 1, 7 В, 2, 8 В, 3, 1 В, 3, 5 В и 3, 7 В и 4, 5 В. Номинальный ток регулятора может иметь диапазон от 0,31 мА до 10 мА, причём обычно используемый ток регулятора составляет 10 мА .

Схема ограничения постоянного тока

Большинство источников питания имеют отдельные контуры регулирования DC и напряжения для регулирования своих выходов либо в режиме постоянного напряжения (CV), либо в режиме постоянного тока (CC), которые включаются в управление зависимо от того, как сопротивление нагрузки соответствует выходному напряжению и текущим настройкам.

Таким образом, защита выполняется в основном путём ограничения токового значения. При этом можно применять простую схему для ограничителя источника с использованием двух диодов и резистора. В любом источнике питания всегда существует риск того, что на выходе произойдёт короткое замыкание. Соответственно, в этих условиях необходимо защитить его от повреждений. Существует ряд схем, которые можно применить для предохранения электропитания.

Одна из простейших схем включает в себя только два диода и дополнительный резистор. Схема использует резистор для измерения помех, размещённый последовательно с выходным транзистором. Два диода, расположенные между выходом схемы и базой транзистора, обеспечивают защиту. Когда цепь работает в нормальном рабочем диапазоне, на резисторе имеется небольшое напряжение. Это напряжение плюс базовое излучательное транзистора гораздо меньше, чем падение диодного перехода, необходимого для включения двух диодов. Однако по мере увеличения DC растёт напряжение на резисторе. Когда оно равно напряжению, необходимому для работы, они включаются, напряжение транзистора падает, тем самым ограничивая ток.

Цепь этого диодного ограничителя тока для источника питания проста. Значение последовательного резистора может быть рассчитано таким образом, чтобы напряжение на нём возрастало до 0, 6 вольта (напряжение включения для кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше убедиться, что есть некоторый запас защиты, и лучше ограничить его до достижения необходимого уровня.

Ограничитель с обратной связью

Такая же простая диодная форма ограничения тока может быть включена в цепи питания, которые используют обратную связь для определения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точно регулируемый выход. Если точка измерения выходного напряжения принимается после последовательного токового резистора, то падение напряжения может быть исправлено на выходе.

Эта схема обеспечивает гораздо лучшее регулирование, чем регулятор прямого эмиттера, также может учитывать падение напряжения в резисторе с токовым пределом, если имеется достаточное падение напряжения на транзисторе в цепи источника питания. Выходное напряжение можно также отрегулировать, чтобы получить требуемое значение с помощью переменного резистора. Диодная форма ограничения тока может быть легко интегрирована в схему питания. Кроме того, это дешёво и удобно.

Области применения токоограничивающих диодов

Токоограничивающие диоды обеспечивают высокую производительность и простоту эксплуатации по сравнению с биполярными транзисторами в системах защиты. Они универсальны, имеют превосходную производительность в отношении динамического температурного дрейфа. Устройств, использующих диоды:

• схемы генератора сигналов;
• схемы синхронизации;
• зарядные устройства;
• управления светодиодами;
• замены удерживающих катушек в устройствах телефонной связи.

Токовые ограничивающие диоды выпускаются многими мировыми производителями полупроводников, такими как Calogic, Central Semiconductor, Diodes Inc., O. N. Semiconductor или Zetex. Рынок электроники имеет очень широкий выбор диодов, используемых диодных цепей или любых других устройств, которым может потребоваться ограничение предельного токового значения.

Как ограничить ток в цепи?

Есть трансформатор, на 12в и 1а, 12 ватт. Есть катушка с сердечником, на ней всего 4ом, те ток будет аж 3а, а мощность 36вт, те если включить эту катушку к трансформатору, он просто сгорит. Понизит ли онбычный резистор силу тока хотя бы до 0,5а (те потребляемую мощность до 6вт) или будет будут теже 36вт просто 30 из них уйдут на нагрев резистора?

Голосование за лучший ответ

понизит, но мощность резистора должна быть 15ватт

Резистор уменьшит ток и уменьшит напряжение.

Если активное сопротивление катушки 4 Ом, не факт, что оно такое же для переменного тока.

Иван ЛаринУченик (26) 3 года назад

диодный мост

Иван Ларин, всм?

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.