Ограничение зарядного тока конденсатора сетевого выпрямителя ИИП. Схема, описание
Часто в различных источниках питания возникает задача ограничить стартовый бросок тока при включении. Причины могут быть разные – быстрый износ контактов реле или выключателей, сокращение срока службы конденсаторов фильтра итд. Такая задача недавно возникла и у меня. В компьютере я использую неплохой серверный блок питания, но за счет неудачной реализации секции дежурного режима, происходит сильный ее перегрев при отключении основного питания. Из-за этой проблемы уже 2 раза пришлось ремонтировать плату дежурного режима и менять часть электролитов, находящихся рядом с ней. Решение было простое – выключать блок питания из розетки. Но оно имело ряд минусов – при включении происходил сильный бросок тока через высоковольтный конденсатор, что могло вывести его из строя, кроме того, уже через 2 недели начала обгорать вилка питания блока. Решено было сделать ограничитель бросков тока. Параллельно с этой задачей, у меня была подобная задача и для мощных аудио усилителей. Проблемы в усилителях те же самые – обгорание контактов выключателя, бросок тока через диоды моста и электролиты фильтра. В интернете можно найти достаточно много схем ограничителей бросков тока. Но для конкретной задачи они могут иметь ряд недостатков – необходимость пересчета элементов схемы для нужного тока; для мощных потребителей – подбор силовых элементов, обеспечивающих необходимые параметры для расчетной выделяемой мощности. Кроме того, иногда нужно обеспечить минимальный стартовый ток для подключаемого устройства, из-за чего сложность такой схемы возрастает. Для решения этой задачи есть простое и надежное решение – термисторы.
Рис.1 Термистор
Термистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при нагреве. Для наших целей нужны термисторы с отрицательным температурным коэффициентом – NTC термисторы. При протекании тока через NTC термистор он нагревается и его сопротивление падает.
Рис.2 ТКС термистора
Нас интересуют следующие параметры термистора:
Сопротивление при 25˚С
Максимальный установившийся ток
Оба параметра есть в документации на конкретные термисторы. По первому параметру мы можем определить минимальный ток, который пройдет через сопротивление нагрузки при подключении ее через термистор. Второй параметр определяется максимальной рассеиваемой мощностью термистора и мощность нагрузки должна быть такой, что бы средний ток через термистор не превысил это значение. Для надежной работы термистора нужно брать значение этого тока меньшее на 20 процентов от параметра, указанного в документации. Казалось бы, что проще – подобрать нужный термистор и собрать устройство. Но нужно учитывать некоторые моменты:
- Термистор достаточно долго остывает. Если выключить устройство и сразу включить опять, то термистор будет иметь низкое сопротивление и не выполнит свою защитную функцию.
- Нельзя соединять термисторы параллельно для увеличения тока – из-за разброса параметров ток через них будет сильно различаться. Но вполне можно соединять нужное к-во термисторов последовательно.
- При работе происходит сильный нагрев термистора. Греются также элементы рядом с ним.
- Максимальный установившийся ток через термистор должен ограничиваться его максимальной мощностью. Этот параметр указан в документации. Но если термистор используется для ограничения коротких бросков тока (например, при первоначальном включении блока питания и зарядке конденсатора фильтра), то импульсный ток может быть больше. Тогда выбор термистора ограничен его максимальной импульсной мощностью.
Энергия заряженного конденсатора определяется формулой:
E = (C*Vpeak²)/2
где E – энергия в джоулях, C – емкость конденсатора фильтра, Vpeak – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор фильтра (для наших сетей можно взять значение 250В*√2 = 353В).
Если в документации указана максимальная импульсная мощность, то исходя из этого параметра можно подобрать термистор. Но, как правило, этот параметр не указан. Тогда максимальную емкость, которую безопасно можно зарядить термистором, можно прикинуть по уже рассчитанным таблицам для термисторов стандартных серий.
Я взял таблицу с параметрами термисторов NTC фирмы Joyin. В таблице указаны:
Rном - номинальное сопротивление термистора при температуре 25°С
Iмакс - максимальный ток через термистор (максимальный установившийся ток)
Смакс - максимальная емкость в тестовой схеме, которую разряжают на термистор без его повреждения (тестовое напряжение 350v)
Как проводится тестовое испытание, можно посмотреть на седьмой странице.
Несколько слов о параметре Смакс – в документации показано, что в тестовой схеме конденсатор разряжается через термистор и ограничительный резистор, на котором выделяется дополнительная энергия. Поэтому максимальная безопасная емкость, которую сможет зарядить термистор без такого сопротивления, будет меньше. Я поискал информацию в зарубежных тематических форумах и посмотрел типовые схемы с ограничителями в виде термисторов, на которые приведены данные. Исходя из этой информации, можно взять коэффициент для Смакс в реальной схеме 0.65, на который умножить данные из таблицы.
|
Наименование |
Rном, |
Iмакс, |
Смакс, |
|
|
д иаметр 8мм |
||||
|
диаметр 10мм |
||||
|
диаметр 13мм |
||||
|
диаметр 15мм |
||||
|
диаметр 20мм |
||||
Таблица параметров NTC термисторов фирмы Joyin
Соединяя несколько одинаковых NTC термисторов последовательно, мы уменьшаем требования к максимальной импульсной энергии каждого из них.
Приведу пример. Например, нам необходимо подобрать термистор для включения блока питания компьютера. Максимальная мощность потребления компьютера – 700 ватт. Мы хотим ограничить стартовый ток величиной 2-2.5А. В блоке питания установлен конденсатор фильтра 470мкФ.
Считаем действующее значение тока:
I = 700Вт/220В = 3.18А
Как писал выше, для надежной работы термистора, выберем максимальный установившийся ток из документации на 20% больше этой величины.
Iмакс = 3.8А
Считаем нужное сопротивление термистора для стартового тока 2.5А
R = (220В*√2)/2.5А = 124 Ом
Из таблицы находим нужные термисторы. 6 штук последовательно включенных термисторов JNR15S200L подходят нам по Iмакс , общему сопротивлению. Максимальная емкость, которую они могут зарядить будет равна 680мкФ*6*0.65=2652мкФ, что даже больше, чем нам нужно. Естественно, при понижении Vpeak , понижаются и требования к максимальной импульсной мощности термистора. Зависимость у нас от квадрата напряжения.
И последний вопрос по поводу выбора термисторов. Что, если мы подобрали необходимые по максимальной импульсной мощности термисторы, но они нам не подходят по Iмакс (постоянная нагрузка для них слишком велика), либо в самом устройстве нам не нужен источник постоянного нагрева? Для этого мы применим простое решение – добавим в схему еще один выключатель параллельно термистору, который включим после зарядки конденсатора. Что я и сделал в своем ограничителе. В моем случае параметры такие – максимальная мощность потребления компьютера 400вт, ограничение стартового тока – 3.5А, конденсатор фильтра 470мкФ. Я взял 6 штук термисторов 15d11 (15 ом). Схема приведена ниже.
Рис. 3 Схема ограничителя
Пояснения по схеме. SA1 отключает фазовый провод. Светодиод VD2 служит для индикации работы ограничителя. Конденсатор C1 сглаживает пульсации и светодиод не мерцает с частотой сети. Если он вам не нужен, то уберите из схемы C1, VD6, VD1 и просто соедините параллельно светодиод и диод по аналогии элементов VD4, VD5. Для индикации процесса зарядки конденсатора, параллельно термисторам включен светодиод VD4. В моем случае при зарядке конденсатора блока питания компьютера, весь процесс занимает менее секунды. Итак, собираем.
Рис.4 Набор для сборки
Индикацию питания я собрал непосредственно в крышке от выключателя, выкинув из нее китайскую лампу накаливания, которая бы прослужила недолго.
Рис. 5 Индикация питания
Рис.6 Блок термисторов
Рис. 7 Собранный ограничитель
На этом можно было бы закончить, если бы через неделю работы не вышли из строя все термисторы. Выглядело это так.
Рис. 8 Выход из строя NTC термисторов
Несмотря на то, что запас по допустимой величине емкости был очень большой – 330мкФ*6*0.65=1287мкФ.
Термисторы брал в одной известной фирме, причем разных номиналов – все брак. Производитель неизвестен. Либо китайцы заливают в большие корпуса термисторы меньших диаметров, либо качество материалов очень плохое. В итоге купил даже меньшего диаметра - SCK 152 8мм. То же Китай, но уже фирменные. По нашей таблице допустимая емкость 100мкФ*6*0.65=390мкФ, что даже немного меньше, чем нужно. Тем не менее, все работает отлично.
65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.
Пекин обвалил Уолл-стрит
Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.
Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство
Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.
МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России
ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.
Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира
Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.
Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric
Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.
При конструировании блоков питания усилителей часто возникают проблемы, никак не связанные с самим усилителем, или являющиеся следствием применённой элементной базы. Так в блоках питания транзисторных усилителей большой мощности часто возникает проблема реализовать плавное включение блока питания, то есть обеспечить медленный заряд электролитических конденсаторов в сглаживающем фильтре, которые могут иметь весьма значительную ёмкость и, без принятия соответствующих мер, в моменты включения просто выведут из строя диоды выпрямителя.
В блоках питания ламповых усилителей любой мощности необходимо обеспечить задержку подачи высокого анодного напряжения до прогрева ламп, чтобы избежать преждевременного обеднения катода и как следствие существенного сокращения ресурса лампы. Конечно, при использовании кенотронного выпрямителя эта проблема решается сама собой. Но в случае использования обычного мостового выпрямителя с LC-фильтром, без дополнительного устройства не обойтись.
Обе вышеизложенные проблемы позволяет решить простое устройство, которое может быть легко встроено как в транзисторный, так и в ламповый усилитель.
Схема устройства.
Принципиальная схема устройства плавного включения представлена на рисунке:
Увеличение по клику
Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора ТР1 выпрямляется диодным мостом Br1 и стабилизируется интегральным стабилизатором VR1. Резистор R1 обеспечивает плавный заряд конденсатора C3. Когда напряжение на нём достигнет пороговой величины, откроется транзистор Т1, в результате чего сработает реле Rel1. Резистор R2 обеспечивает разряд конденсатора C3 при выключении устройства.
Варианты включения.
Контактная группа реле Rel1 подключается в зависимости от типа усилителя и организации блока питания.
Для примера, чтобы обеспечить плавный заряд конденсаторов в блоке питания транзисторного усилителя мощности , представленное устройство можно использовать для шунтирования балластного резистора после заряда конденсаторов, чтобы исключить потери мощности на нём. Возможный вариант включения показан на схеме:
Номиналы предохранителя и балластного резистора не указаны, так как выбираются, исходя из мощности усилителя и ёмкости конденсаторов сглаживающего фильтра.
В ламповом усилителе представленное устройство поможет организовать задержку подачи высокого анодного напряжения до прогрева ламп, что позволяет существенно продлить их ресурс работы. Возможный вариант включения представлен на рисунке:
Схема задержки здесь включается одновременно с накальным трансформатором. После прогрева ламп включится реле Rel1, в результате чего сетевое напряжение будет подано на анодный трансформатор.
Если в вашем усилителе используется один трансформатор и для питания цепей накала ламп, и для анодного напряжения, тогда контактную группу реле следует перенести в цепь вторичной обмотки анодного напряжения .
Элементы схемы задержки включения (плавного пуска):
- Предохранитель: 220В 100мА,
- Трансформатор: любой маломощный с выходным напряжением 12-14В,
- Диодный мост: любой малогабаритный с параметрами 35В/1А и выше,
- Конденсаторы: С1 — 1000мкФ 35В, С2 — 100нФ 63В, С3 — 100мкФ 25В,
- Резисторы: R1 — 220кОм, R2- 120 кОм,
- Транзистор: IRF510,
- Интегральный стабилизатор: 7809, LM7809, L7809, MC7809 (7812),
- Реле: с рабочим напряжением обмотки 9В (12В для 7812) и контактной группой соответствующей мощности.
Из-за малого тока потребления микросхему стабилизатора и полевой транзистор можно монтировать без радиаторов.
Однако у кого-то может возникнуть идея отказаться от лишнего, пусть и малогабаритного, трансформатора и запитать схему задержки от напряжения накала. Учитывая, что стандартное значение напряжения накала ~6.3В, придётся заменить стабилизатор L7809 на L7805 и применить реле с рабочим напряжением обмотки 5В. Такие реле обычно потребляют значительный ток, в этом случае микросхему и транзистор придётся снабдить небольшими радиаторами.
При использовании реле с обмоткой на 12В (как-то чаще встречаются) микросхему интегрального стабилизатора следует заменить на 7812 (L7812, LM7812, MC7812).
С указанными на схеме номиналами резистора R1 и конденсатора С3 время задержки включения составляет порядка 20 секунд . Для увеличения временного интервала необходимо увеличить ёмкость конденсатора С3.
Статья подготовлена по материалам журнала «АудиоИкспресс»
Вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты».
JB Castro-Miguens, Madrid
В момент включения импульсного источника питания, например, блока питания компьютера, сглаживающий конденсатор выпрямителя полностью разряжен. Бросок зарядного тока, в особенности в том случае, когда емкость конденсатора велика, может привести к срабатыванию автоматов защиты сети, или, даже, к выходу из строя выпрямительных диодов.
Несмотря на то, что эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, а также сопротивление и индуктивность проводов уменьшают бросок тока, пиковые значения могут достигать десятков ампер. Эти броски приходится принимать во внимание при выборе диодов выпрямителя, но наиболее заметно их влияние на срок службы конденсатора. Схема, позволяющая ограничивать выбросы тока при включении, показана на Рисунке 1.
Если в момент включения мгновенное значение выпрямленного переменного напряжения сети больше 14 В, MOSFET транзистор Q 1 будет включен, вследствие чего IGBT транзистор Q 2 выключен, и конденсатор не заряжается.
Если же выпрямленное напряжение меньше, чем напряжение на конденсаторе плюс 14 В (V 1 = V IN − V OUT ≤ 14 В), Q1 выключен, а Q 2 включается через резистор R 3 , подключая конденсатор и нагрузку (R LOAD) к выпрямителю. Соответственно, Q 2 остается включенным, а Q 1 перестает оказывать какое-либо влияние на работу схемы.
В стационарном состоянии, когда напряжение на конденсаторе сравняется с выпрямленным переменным напряжением, Q 1 выключен, а Q 2 включен, и заряду конденсатора ничто не препятствует.
Ограничитель тока позволяет дополнить схему защитой от перенапряжения. Если выпрямленное выходное напряжение превысит 380 В, напряжение между выходом опорного напряжения и анодом микросхемы IC 1 будет больше ее внутреннего опорного напряжения 2.495 В, вследствие чего, напряжение анод-катод упадет примерно до 2 В. Ток резистора R 3 потечет в катод, и Q 2 закроется.
Когда выпрямленное сетевое напряжение меньше 380 В, катодный ток TL431 практически отсутствует. Вследствие этого, Q2 включается через R3 и подключает конденсатор и R LOAD к двухполупериодному выпрямителю (при условии V 1 = V IN − V OUT ≤ 14 В).
Мощность, рассеиваемая компонентами схемы, очень незначительна. При входном напряжении 230 В с.к.з. и мощности нагрузки до 500 Вт в качестве Q 2 можно использовать GP10NC60KD .
- Фактическа схема обеспечивает подключение фильтрующих конденсаторов при переходе питающего напряжения через ноль. Не проще-ли для этого использовать оптосимистор (оптореле) с функцией с фонкцией включения при ноле напряжения. При большой ёмкости конденсаторов фильта ни эта схема, ни оптореле не спасут от броска тока.
- Схема, конечно, хорошая и похожа на один из вариантов dv/dt ограничителей, описанных в "AN1542 Active Inrush Current Limiting Using MOSFET"s". Также полезен аппноут "AN4606 Inrush-current limiter circuits (ICL) with Triacs and Thyristors". В самой схеме куда полезнее была бы не защита от перенапряжения, а защита от короткого замыкания в нагрузке. К тому же, есть такие типы нагрузок, которые нельзя просто так отключить от сети. Т.е. скачёк сетевого напряжения бывает менее страшен, чем его моментальное пропадание. Пожалуй, проблема зарядки входных емкостей характерна для всех SMPS мощностью от 200Вт. Большой цветник решений можно увидеть в схемах сварочных инверторов, частотников и другом технологическом оборудовании, где так или иначе присутствует звено постоянного тока большой мощности. Сложность схем ограничителей (почему-то всегда пишут "схем плавного пуска") определяется бюджетом и фантазией разработчиков. Небольшая иерархия: "народные" средства - это резистор или дроссель, для небольших мощностей термистор; вслед за этим - схемы, подобные описанной в статье (на тиристоре или транзисторе); затем - управляемые выпрямители; ну а на самой верхушке по моему мнению - корректоры коэффициента мощности (также обобщающее название для полностью управляемых выпрямителей или неизолированных DC/DC преобразователей). И относительно приведённой схемы. Передо мной лежит блок питания, на входе которого стоит 4000мкФ*450В. Ограничитель - 10Вт резистор, который шунтируется мощным 60-амперным пускателем. Время зарядки емкостей около 12 секунд. Оно классически задаётся RC-цепью в базе транзистора, который коммутирует обмотку маломощного реле, а то свою очередь включает пускатель. Как только резистор шунтирован, в схему управления через оптрон подаётся сигнал о состоянии выпрямителя "Готово". Поставив тиристор или IGBT согласно описанному решению (с большим запасом, т.к. ток несинусоидален) несложно будет организовать схему управления. В случае тиристора использовав оптимальный вариант - при переходе сети через 0, как писал lllll. Но вот незадача: ток потребления из сети при полной нагрузке около 30Ампер. А это означает, что в схему добавится "нагреватель", мощностью 50-100Вт. Речь, конечно, не об экономии электроэнергии:-). Но невольно задумаешься - так ли уж плох электромеханический "плавный пуск".
- Схема из цикла, "когда нечем заняться, то...". Для низкой мощности тема не актуальна. Ни разу не видел ограничителей, но как показывает практика ничего из строя не выходит и автоматы не срабатывают. Для средней и большой мощности - устарело, сейчас нормами требуют уже не ограничители тока, а корректоры коэффициента мощности. В случае использования конденсаторов большой ёмкости (например в УНЧ), обычно используют плавную зарядку через токоограничительный резистор, который через некоторое время после включения закорачивается.
- а это разве не ограничитель бросков тока для нагрузок средней мошности? AMC ваш пост из цикла "когда нечего написать а руки чешутся..."
