Corriente de irrupción: causas, efectos, circuitos de protección y técnicas de diseño

La durabilidad y confiabilidad de un circuito electrónico dependen en gran medida de qué tan bien esté diseñado considerando todas las probabilidades, lo que podría ocurrir prácticamente cuando el producto está realmente en uso. Esto es particularmente cierto para todas las unidades de suministro de energía como convertidores AC-DC o circuitos SMPS porque están conectados directamente a la red AC y una carga variable que los hace susceptibles a sobretensiones, picos de tensión, sobrecargas, etc. Por eso los diseñadores incluyen muchos tipos de circuitos de protección en su diseño, ya hemos cubierto muchos circuitos de protección populares, a saber

• Proteccion al sobrevoltaje
• Protección contra la sobretensión
• Protección contra polaridad inversa
• Protección de circuito de disparo

Anteriormente discutimos la corriente de irrupción, en este artículo discutiremos cómo diseñar circuitos limitadores de corriente de irrupción para proteger los diseños de su fuente de alimentación de las corrientes de irrupción. Primero entenderemos qué es la corriente de irrupción y la razón por la que se genera. Luego, discutiremos los diferentes tipos de diseño de circuito que se pueden usar para proteger la corriente de entrada y finalmente concluiremos con algunos consejos para proteger su dispositivo contra la corriente de entrada. Entonces empecemos.

¿Qué es la corriente de entrada?

Como sugiere el nombre, el término "corriente de entrada" indica que cuando se enciende un dispositivo durante la etapa inicial, una gran cantidad de corriente se precipita hacia el circuito. Por definición, se puede definir como la máxima corriente de entrada instantánea consumida por un dispositivo eléctrico cuando está encendido. Este comportamiento se puede observar bien en cargas inductivas de CA como Transformadores y Motores, donde el valor de la corriente de entrada normalmente será veinte o treinta veces mayor que los valores nominales. Aunque el valor de la corriente de irrupción es muy alto, se produce solo durante unos pocos milisegundos o microsegundos, por lo que no se puede notar sin un medidor. La corriente de irrupción también se puede llamar como sobrecorriente de entrada o sobretensión de encendidoactual basado en conveniencia. Dado que este fenómeno ocurre más con cargas de CA, el limitador de corriente de entrada de CA se utiliza más que su contraparte de CC.

Todos y cada uno de los circuitos obtienen corriente de una fuente en función del estado del circuito. Supongamos un circuito que tiene tres estados, es decir, estado inactivo, estado de funcionamiento normal y estado de funcionamiento máximo. En estado inactivo, considere, el circuito consume 1 mA de corriente, en un estado de funcionamiento normal el circuito consume 500 mA de corriente y en el estado de funcionamiento máximo puede consumir 1000 mA o 1 A de corriente. Por lo tanto, si el circuito funciona principalmente en un estado normal, podemos decir que 500mA es la corriente de estado estable para el circuito, mientras que 1A es la corriente máxima consumida por el circuito.

Esto es bastante cierto, fácil de trabajar y matemático simple. Pero, como se dijo anteriormente, existe otro estado en el que la corriente consumida por el circuito puede ser 20 o incluso 40 veces mayor que la corriente de estado estable. Es el estado inicial o etapa de encendido del circuito. Ahora bien, ¿por qué el circuito extrae de repente esta alta corriente, ya que está clasificado para aplicaciones de baja corriente? Como en el ejemplo anterior, de 1 mA a 1000 mA.

¿Qué causa la corriente de irrupción en un dispositivo?

Para responder a las preguntas tenemos que adentrarnos en el magnetismo de las bobinas del inductor y del motor, pero para empezar consideremos que es como mover un armario enorme o tirar de un coche, inicialmente necesitamos mucha energía, pero a medida que las cosas empiezan a moverse, más fácil. Exactamente lo mismo sucede dentro de un circuito. Casi todos los circuitos, especialmente las fuentes de alimentación, utilizan condensadores e inductores, estranguladores y transformadores (un inductor enorme) de gran valor, todos los cuales extraen una enorme corriente inicial para desarrollar el campo magnético o eléctrico necesario para su funcionamiento. Por lo tanto, la entrada del circuito proporciona repentinamente una ruta de baja resistencia (impedancia) que permite que un gran valor de corriente fluya hacia el circuito.

Los condensadores y los inductores se comportan de manera diferente cuando están en una condición de carga o descarga completa. Por ejemplo, un capacitor cuando está en una condición completamente descargada actúa como un cortocircuito debido a la baja impedancia, mientras que un capacitor completamente cargado suaviza la CC si está conectado como un capacitor de filtro. Sin embargo, es un lapso de tiempo muy pequeño; en pocos milisegundos se carga el condensador. También puede leer sobre los valores de ESR y ESL de un capacitor para comprender mejor cómo funciona en un circuito.

Por otro lado, los transformadores, motores e inductores (todos los elementos relacionados con la bobina) generan una fuerza contraelectromotriz durante el arranque, también requieren una corriente muy alta durante el estado de carga. Normalmente, se requieren pocos ciclos de corriente para estabilizar la corriente de entrada a un estado estable. También puede leer sobre el valor DCR en el inductor para comprender mejor cómo funcionan los inductores en un circuito.

En la imagen de arriba, se muestra un gráfico de corriente frente a tiempo. El tiempo se muestra en milisegundos, pero también puede ser en microsegundos. Sin embargo, durante el arranque, la corriente comienza a aumentar y la corriente pico máxima es de 6A. Es la corriente de irrupción que existe durante un período de tiempo muy corto. Pero después de la corriente de entrada, el flujo de corriente se estabiliza a un valor de.5A o en 500mA. Ésta es la corriente de estado estable del circuito.

Por lo tanto, cuando el voltaje de entrada se aplica a la fuente de alimentación o en un circuito que tiene una capacitancia o inductancia muy alta o ambas, se produce una corriente de irrupción. Esta corriente inicial, como se muestra en el gráfico de corriente de irrupción, se vuelve muy alta y hace que el interruptor de entrada se derrita o explote.

Circuitos de protección de corriente de irrupción: tipos

Hay muchos métodos para proteger su dispositivo de la corriente de entrada y hay diferentes componentes disponibles para proteger el circuito de la corriente de entrada. Aquí está la lista de métodos efectivos para superar la corriente de irrupción:

Método de límite de resistencia

Hay dos formas de diseñar un limitador de corriente de irrupción utilizando el método de límite de resistencia. El primero es agregar una resistencia en serie para reducir el flujo de corriente en la línea del circuito y el otro es usar la impedancia del filtro de línea en la entrada de suministro de CA.

Pero este método no es una forma eficiente de agregar a través de un circuito de corriente de salida alta. La razón es obvia porque incluye resistencias. La resistencia de corriente de entrada se calienta durante el funcionamiento normal y reduce la eficiencia. La potencia de la resistencia depende de los requisitos de la aplicación, normalmente oscila entre 1 W y 4 W.

Limitador de corriente basado en termistor o NTC

El hermistor T es una resistencia de temperatura acoplada que cambia la resistencia dependiendo de la temperatura. En una irrupción NTC, el circuito limitador de corriente es similar al método de limitación de resistencia, el termistor o NTC (coeficiente de temperatura negativo) también se usa en serie con la entrada.

Los termistores tienen características de valor de resistencia cambiado a diferentes temperaturas, específicamente, a baja temperatura El termistor se comporta como una resistencia de alto valor, mientras que a altas temperaturas, proporciona una resistencia de bajo valor. Esta propiedad se utiliza para la aplicación de limitación de corriente Inrush.

Durante la puesta en marcha inicial del circuito, el NTC proporciona una resistencia de alto valor que disminuye el flujo de corriente de entrada. Pero durante el circuito pasa a la condición de estado estable, la temperatura del NTC comienza a aumentar, lo que resulta en una baja resistencia. NTC es un método muy eficaz para controlar la corriente de entrada.

Circuito de inicio suave o retardo

Diferentes tipos de convertidores CC / CC reguladores de voltaje utilizan el circuito de inicio suave o retardo para reducir el efecto de la corriente de entrada. Este tipo de funcionalidad nos permite cambiar el tiempo de subida de salida, lo que reduce efectivamente la corriente de salida cuando se conecta a una carga capacitiva de alto valor.

Por ejemplo, 1.5A Ultra-LDO TPS742 de Texas Instruments ofrece un pin programable de arranque suave donde el usuario puede configurar el arranque lineal usando un simple capacitor externo. En el siguiente diagrama de circuito, se muestra un circuito de ejemplo de TPS742 donde el tiempo de arranque suave se puede configurar usando el pin SS usando el capacitor CSS.

¿Dónde y por qué debemos considerar el circuito de protección de corriente de irrupción?

Como se discutió anteriormente, el circuito donde existe capacitancia o inductancia de alto valor, se requiere un circuito de protección de corriente de irrupción. El circuito de corriente de irrupción estabiliza el requisito de alta corriente en la etapa de arranque inicial del circuito. Un circuito limitador de corriente de entrada limita la corriente de entrada y mantiene la fuente y el dispositivo host más seguros. Porque una alta corriente de entrada aumenta las posibilidades de falla del circuito y eso debe ser rechazado. La corriente de entrada es dañina por las siguientes razones:

1. La alta corriente de entrada afecta la fuente de alimentación.
2. A menudo, una alta corriente de entrada reduce el voltaje de la fuente y da como resultado un reinicio de bajada de voltaje para los circuitos basados ​​en microcontroladores.
3. En algunos casos, la cantidad de corriente suministrada al circuito sobrepasa el voltaje máximo aceptable del circuito de carga, causando daños permanentes a la carga.
4. En los motores de CA de alto voltaje, la alta corriente de entrada hace que el interruptor de encendido se dispare o, a veces, se queme.
5. Las trazas de la placa PCB están diseñadas para transportar un valor específico de corriente. La alta corriente podría debilitar potencialmente las trazas de la placa PCB.

Por lo tanto, para minimizar el efecto de la corriente de entrada, es importante proporcionar un circuito limitador de corriente de entrada donde la capacitancia de entrada sea muy alta o tenga una gran inductancia.

Cómo medir la corriente de irrupción:

El principal desafío de medir la corriente de entrada es el lapso de tiempo rápido. La corriente de irrupción se produce durante unos pocos milisegundos (o incluso microsegundos) dependiendo de la capacitancia de carga. El valor del intervalo de tiempo generalmente varía entre 20 y 100 milisegundos.

Una forma más sencilla es utilizar la pinza amperimétrica dedicada, que tiene la opción de medir la corriente de entrada. El medidor se activa por la alta corriente y toma múltiples muestras para obtener la máxima corriente de entrada.

Otro método es utilizar un osciloscopio de alta frecuencia, pero este proceso es un poco complicado. Es necesario utilizar una resistencia de derivación de valor muy bajo y se requieren dos canales para conectarse a través de la resistencia de derivación. Al utilizar las diferentes funciones de estas dos sondas, se puede obtener la corriente máxima máxima. Hay que tener cuidado al conectar la sonda GND, la conexión incorrecta a través de la resistencia podría provocar un cortocircuito. El GND debe conectarse a través del circuito GND. La imagen de abajo es la representación de la técnica mencionada anteriormente.

Factores a considerar al diseñar un circuito de protección de corriente de irrupción:

Es necesario tener en cuenta algunos factores y especificaciones diferentes antes de elegir el método de limitación de la corriente de entrada. Aquí hay una lista de algunos parámetros esenciales:

1. El valor de capacitancia de la carga.

La capacitancia de la carga es un parámetro esencial para seleccionar la especificación del circuito limitador de corriente de irrupción. La alta capacitancia requiere una alta corriente transitoria durante el arranque. Para tal caso, se requiere un circuito de arranque suave efectivo.

2. Clasificación de corriente de estado estable

La corriente de estado estable es un factor enorme para la eficiencia del limitador de corriente. Por ejemplo, la alta corriente de estado estable podría conducir a un aumento de la temperatura y una baja eficiencia si se utiliza el método de límite de resistencia. El circuito limitador de corriente basado en NTC puede ser una opción.

3. Cambio de hora

La rapidez con la que se activa o desactiva la carga durante un período de tiempo determinado es otro parámetro para elegir el método de limitación de la corriente de entrada. Por ejemplo, si el tiempo de encendido / apagado es muy rápido, el NTC no podría proteger el circuito de la corriente de entrada. Porque, después de un reinicio del primer ciclo, el NTC no se enfría si el circuito de carga se apaga y enciende en un lapso de tiempo muy corto. por lo tanto, la resistencia de arranque inicial no se pudo aumentar y la corriente de irrupción se deriva a través del NTC.

4. Operación de bajo voltaje y baja corriente

En casos específicos, durante el diseño del circuito, si la fuente de energía y la carga existen dentro del mismo circuito, es más prudente usar un regulador de voltaje o LDO con facilidad de arranque suave para reducir la corriente de entrada. En tal caso, la aplicación es una aplicación de baja tensión y baja corriente.