Courant d'appel - causes, effets, circuits de protection et techniques de conception

La durabilité et la fiabilité d'un circuit électronique dépendent fortement de la qualité de sa conception en tenant compte de toutes les probabilités, ce qui pourrait pratiquement se produire lorsque le produit est effectivement utilisé. Cela est particulièrement vrai pour toutes les unités d'alimentation telles que les convertisseurs CA-CC ou les circuits SMPS car elles sont connectées directement au secteur CA et à une charge variable qui les rend sensibles aux surtensions, pics de tension, surcharges, etc. C'est pourquoi les concepteurs incluent de nombreux types de circuits de protection dans leur conception, nous avons déjà couvert de nombreux circuits de protection populaires à savoir

• Protection de survoltage
• Protection contre les surintensités
• Protection contre l'inversion de polarité
• Protection contre les circuits de tir

Nous avons déjà discuté du courant d'appel, dans cet article, nous allons discuter de la façon de concevoir des circuits limiteurs de courant d'appel, pour protéger vos conceptions d'alimentation contre les courants d'appel. Nous allons d'abord comprendre ce qu'est le courant d'appel et la raison pour laquelle il est généré. Ensuite, nous discuterons des différents types de conception de circuits qui peuvent être utilisés pour protéger le courant d'appel et enfin nous conclurons avec quelques conseils pour protéger votre appareil contre le courant d'appel. Alors, commençons.

Qu'est-ce que le courant d'appel?

Comme son nom l'indique, le terme «courant d'appel» indique que lorsqu'un appareil est mis sous tension pendant la phase initiale, une énorme quantité de courant se précipite dans le circuit. Par définition, il peut être défini comme le courant d'entrée instantané maximal consommé par un appareil électrique lorsqu'il est allumé. Ce comportement peut être bien observé dans les charges inductives AC comme les transformateurs et les moteurs, où la valeur du courant d'appel sera normalement vingt ou trente fois plus élevée que les valeurs nominales. Même si la valeur du courant d'appel est très élevée, elle ne se produit que pendant quelques millisecondes ou microsecondes et ne peut donc pas être remarquée sans un compteur. Le courant d'appel peut également être appelé courant de surtension d'entrée ou surtension de mise en marchecourant basé sur la commodité. Étant donné que ce phénomène concerne davantage les charges CA, le limiteur de courant d'appel CA est plus utilisé que son homologue CC.

Chaque circuit tire le courant d'une source en fonction de l'état du circuit. Supposons un circuit qui a trois états, c'est-à-dire l'état inactif, l'état de fonctionnement normal et l'état de fonctionnement maximal. En état de repos, le circuit consomme 1 mA de courant, dans un état de fonctionnement normal, le circuit tire 500 mA de courant et dans l'état de fonctionnement maximal, il peut tirer 1000 mA ou 1 A de courant. Par conséquent, si le circuit fonctionne principalement dans un état normal, nous pouvons dire que 500mA est le courant en régime permanent du circuit, tandis que 1A est le courant de crête tiré par le circuit.

C'est assez vrai, facile à utiliser et mathématique simple. Mais, comme indiqué précédemment, il existe un autre état dans lequel le courant consommé par le circuit peut être 20 ou même 40 fois plus grand que le courant en régime permanent. Il s'agit de l' état initial ou de la mise sous tension du circuit. Maintenant, pourquoi ce courant élevé est-il soudainement attiré par le circuit car il est conçu pour une application à faible courant? Tels que l'exemple précédent, 1mA au 1000mA.

Quelles sont les causes du courant d'appel dans un appareil?

Pour répondre aux questions, nous devons entrer dans le magnétisme des bobines d'inductance et de moteur, mais pour commencer, considérons que, c'est comme déplacer une énorme armoire ou tirer une voiture, au départ, nous avons besoin de beaucoup d'énergie, mais lorsque les choses commencent à bouger, c'est devenu Plus facile. Exactement la même chose se produit à l'intérieur d'un circuit. Presque tous les circuits, en particulier les alimentations, utilisent des condensateurs et des inducteurs de grande valeur, des selfs et des transformateurs (un énorme inducteur) qui tirent tous un énorme courant initial pour développer le champ magnétique ou électrique nécessaire à leur fonctionnement. Ainsi, l'entrée du circuit fournit soudainement un chemin à faible résistance (impédance) qui permet à une grande valeur de courant de circuler dans le circuit.

Les condensateurs et les inductances se comportent différemment lorsqu'ils sont à pleine charge ou à l'état de décharge. Par exemple, un condensateur lorsqu'il est dans un état complètement déchargé agit comme un court-circuit en raison de la faible impédance, tandis qu'un condensateur entièrement chargé adoucit le courant continu s'il est connecté en tant que condensateur de filtrage. Cependant, c'est un laps de temps très court; en quelques millisecondes, le condensateur se charge. Vous pouvez également consulter les valeurs ESR et ESL d'un condensateur pour mieux comprendre son fonctionnement dans un circuit.

De l'autre côté, les transformateurs, les moteurs et les inducteurs (tous les éléments liés à la bobine) génèrent une force électromotrice lors du démarrage, nécessitent également un courant très élevé pendant l'état de charge. Normalement, peu de cycles de courant sont nécessaires pour stabiliser le courant d'entrée à un état stable. Vous pouvez également lire la valeur DCR dans l'inductance pour mieux comprendre comment les inductances fonctionnent dans un circuit.

Dans l'image ci-dessus, un graphique courant / temps est affiché. Le temps indiqué en millisecondes mais qui peut également être en microsecondes. Cependant, lors du démarrage, le courant commence à augmenter et le courant de crête maximum est de 6A. C'est le courant d'appel qui existe pendant un laps de temps très court. Mais après le courant d'appel, le flux de courant se stabilise à une valeur de 0,5 A ou en 500 mA. Il s'agit du courant en régime permanent du circuit.

Par conséquent, lorsque la tension d'entrée est appliquée à l'alimentation ou dans un circuit qui a une capacité ou une inductance très élevée ou les deux, un courant d'appel se produit. Ce courant initial comme indiqué dans le graphique du courant d'appel devient très élevé pour provoquer la fusion ou l'explosion du commutateur d'entrée.

Circuits de protection contre les courants d'appel - Types

Il existe de nombreuses méthodes pour protéger votre appareil contre le courant d'appel et différents composants sont disponibles pour protéger le circuit contre le courant d'appel. Voici la liste des méthodes efficaces pour surmonter le courant d'appel

Méthode de limite de résistance

Il existe deux façons de concevoir un limiteur de courant d'appel en utilisant la méthode de limite de résistance. Le premier consiste à ajouter une résistance série pour réduire le flux de courant dans la ligne de circuit et l'autre consiste à utiliser l' impédance du filtre de ligne dans l'entrée d'alimentation CA.

Mais cette méthode n'est pas un moyen efficace d'ajouter à travers un circuit de courant de sortie élevé. La raison est évidente car elle inclut la résistance. La résistance de courant d'appel s'échauffe pendant le fonctionnement normal et réduit l'efficacité. La puissance de la résistance dépend des exigences de l'application, elle se situe généralement entre 1W et 4W.

Limiteur de courant à base de thermistance ou NTC

L' hermistor T est une résistance couplée en température qui change de résistance en fonction de la température. Dans un appel NTC, le circuit limiteur de courant est similaire à la méthode de limitation de résistance, une thermistance ou NTC (coefficient de température négatif) est également utilisé en série avec l'entrée.

Les thermistances ont des caractéristiques de valeur de résistance modifiée à différentes températures, en particulier à basse température.La thermistance se comporte comme une résistance de haute valeur, tandis qu'à des températures élevées, elle fournit une résistance de faible valeur. Cette propriété est utilisée pour l'application de limitation de courant d'appel.

Lors du démarrage initial du circuit, le NTC fournit une résistance de haute valeur qui diminue le flux de courant d'appel. Mais pendant que le circuit passe en état d'équilibre, la température du NTC commence à augmenter, ce qui entraîne une faible résistance. NTC est une méthode très efficace de contrôle du courant d'appel.

Circuit de démarrage progressif ou de retard

Différents types de convertisseurs CC / CC de régulateur de tension utilisent le circuit de démarrage progressif ou de retard pour réduire l'effet de courant d'appel. Ce type de fonctionnalité nous permet de modifier le temps de montée en sortie, ce qui réduit efficacement le courant de sortie lorsqu'il est connecté à une charge capacitive de grande valeur.

Par exemple, 1,5 A Ultra-LDO TPS742 de Texas Instruments offre une broche de démarrage progressif programmable sur laquelle l'utilisateur peut configurer le démarrage linéaire à l'aide d'un simple condensateur externe. Dans le schéma ci-dessous, un exemple de circuit du TPS742 est montré où le temps de démarrage progressif est configurable à l'aide de la broche SS en utilisant le condensateur CSS.

Où et pourquoi devons-nous envisager un circuit de protection contre le courant d'appel?

Comme discuté précédemment, le circuit dans lequel une capacité ou une inductance de valeur élevée existe, un circuit de protection de courant d'appel est nécessaire. Le circuit de courant d'appel stabilise l'exigence de courant élevé dans l'étage de démarrage initial du circuit. Un circuit limiteur de courant d'appel limite le courant d'entrée et maintient la source et le périphérique hôte plus sûrs. Parce qu'un courant d'appel élevé augmente les chances de défaillance du circuit et cela doit être rejeté. Le courant d'appel est nocif pour les raisons suivantes:

1. Un courant d'appel élevé affecte l'alimentation de la source.
2. Souvent, un courant d'appel élevé diminue la tension de la source et entraîne une réinitialisation de la baisse de tension pour les circuits basés sur un microcontrôleur.
3. Dans de rares cas, la quantité de courant fournie au circuit dépasse la tension maximale acceptable du circuit de charge, causant des dommages permanents à la charge.
4. Dans les moteurs à courant alternatif haute tension, le courant d'appel élevé provoque le déclenchement de l'interrupteur d'alimentation ou parfois la grillage.
5. Les traces de la carte PCB sont conçues pour transporter une valeur spécifique de courant. Le courant élevé pourrait potentiellement affaiblir les traces de la carte PCB.

Par conséquent, pour minimiser l'effet du courant d'appel, il est important de fournir un circuit limiteur de courant d'appel où la capacité d'entrée est très élevée ou a une inductance élevée.

Comment mesurer le courant d'appel:

Le principal défi de la mesure du courant d'appel est la durée rapide. Le courant d'appel se produit pendant quelques millisecondes (voire microsecondes) en fonction de la capacité de charge. La valeur de l'intervalle de temps diffère généralement de 20 à 100 millisecondes.

Un moyen le plus simple est d'utiliser la pince ampèremétrique dédiée qui a la possibilité de mesurer le courant d'appel. Le compteur est déclenché par le courant élevé et prend plusieurs échantillons pour obtenir le courant d'appel maximal.

Une autre méthode consiste à utiliser un oscilloscope haute fréquence mais ce processus est un peu délicat. Il faut utiliser une résistance shunt de très faible valeur et nécessite deux canaux pour se connecter à travers la résistance shunt. En utilisant les différentes fonctions de ces deux sondes, on peut obtenir le courant de crête maximum. Il faut être prudent lors de la connexion de la sonde GND, une mauvaise connexion à travers la résistance pourrait entraîner un court-circuit. Le GND doit être connecté à travers le circuit GND. L'image ci-dessous est la représentation de la technique mentionnée ci-dessus.

Facteurs à prendre en compte lors de la conception d'un circuit de protection contre les courants d'appel:

Certains facteurs et spécifications différents doivent être pris en compte avant de choisir la méthode de limitation du courant d'appel. Voici une liste de quelques paramètres essentiels -

1. La valeur de capacité de la charge

La capacité de la charge est un paramètre essentiel pour sélectionner la spécification du circuit de limitation du courant d'appel. Une capacité élevée nécessite un courant transitoire élevé lors du démarrage. Dans ce cas, un circuit de démarrage progressif efficace est nécessaire.

2. Courant nominal en régime permanent

Le courant en régime permanent est un facteur important pour l'efficacité du limiteur de courant. Par exemple, le courant de régime permanent élevé pourrait entraîner une augmentation de la température et une faible efficacité si la méthode de limite de résistance est utilisée. Le circuit de limitation de courant basé sur NTC peut être un choix.

3. Temps de commutation

La vitesse à laquelle la charge s'allume ou s'éteint pendant une période donnée est un autre paramètre permettant de choisir la méthode de limitation du courant d'appel. Par exemple, si le temps de mise en marche / arrêt est très rapide, le NTC ne peut pas protéger le circuit contre le courant d'appel. Car, après une première réinitialisation de cycle, le NTC ne se refroidit pas si le circuit de charge est éteint et rallumé dans un laps de temps très court. par conséquent, la résistance de démarrage initiale n'a pas pu être augmentée et le courant d'appel est contourné par le NTC.

4. Fonctionnement à basse tension et à faible courant

Dans des cas spécifiques, lors de la conception du circuit, si la source d'alimentation et la charge se trouvent à l'intérieur du même circuit, il est plus sage d'utiliser un régulateur de tension ou des LDO avec fonction de démarrage progressif pour réduire le courant d'appel. Dans un tel cas, l'application est une application basse tension à faible courant.