применение позисторов epcos для ограничения пускового тока

Авт, доктор Стефан Бенкхоф (Dr. Stefan Benkhof, менеджер-маркетолог EPCOS/TDK).

Перевод - Дмитрий Кузнецов, руководитель службы технической поддержки ООО «АЕДОН».

Высокие значения пусковых токов повсеместно можно встретить при работе такого оборудования, как системы привода, инвертеры или в источниках электропитания в момент включения. Поскольку в результате протекания большого тока выходу из строя подвержены, например, выпрямители преобразователей напряжения или предохранители, необходимо предпринять меры поуменьшению тока (рисунок 1). Существует по крайней мере два метода ограничения пускового тока — пассивный и активный. В первом случае - это устройство защиты (ограничителя пускового тока - ОПТ), устанавливаемое последовательно в цепь электропитания, во втором - использование схемы активного шунта, срабатывающей после того, как ток достигнет безопасного значения. Выбор метода ограничения сводится к конкретному применению и зависит от множества факторов: требуемой мощности, частотных характеристик броска тока, рабочей температуры окружающей среды и стоимости изделия.

Пассивный метод ограничения пускового тока.

Для преобразователей напряжения номинальной мощностью до нескольких Ватт наиболее приемлемым решением может служить включение малоомного резистора последовательно с нагрузкой.  

NTC-термистор имеет высокое омическое сопротивления при низких температурах корпуса, что позволяет эффективно рассеивать пиковую составляющую пускового тока, и низкое сопротивление — при высоких температурах. В результате поглощения тока нагрузки и последующего саморазогрева в нормальных климатических условиях (при «комнатной» температуре окружающей среды) сопротивление термистора падает до нескольких процентов от номинального значения. Это свойство позволяет уменьшить выделяемую на термисторе мощность при дальнейшем постоянном токе нагрузки, когда конденсатор-накопитель полностью заряжен. В целом, NTC-термистор наиболее дешевый и простой по схемотехнической реализации вариант (рисунок 2).

При разработке источников питания все большее внимание уделяется уменьшению потерь мощности везде, где это возможно. В случае, когда номинальная мощность источника превышает 500Вт, эти недостатки становятся более очевидными. Если ОПТ включен на протяжении всего времени протекания тока, потери энергии становятся значительными. Увеличение номинальной мощности устройства и увеличение времени его запуска приводят к появлению нежелательных дополнительных энергетических потерь. Если предположить, что рассеиваемая мощность на NTC-термисторе составляет порядка 1% от общей мощности преобразователя, а КПД последнего равен 92%, то около 12,5% всех энергетических потерь придется на NTC-термистор.

Еще одним методом является применение активного ограничителя пускового тока (АОПТ) с использованием реле или симисторов. В зависимости от сферы применения схема активного ограничения пускового тока может содержать мощный резистор, NTC-термистор или позистор (PTC-термистор с положительным температурным коэффициентом) в качестве компонента-ограничителя (рисунок 3). Позистор, например, используется в бортовых зарядных устройствах с подключаемыми гибридными или электрическими двигателями, когда требуется передать энергию мощностью в несколько киловатт. Преимущества АОПТ проявляются как на мощностях выше 500Вт, так и на меньших мощностях в различных сферах применения. Хотя стоимость АОПТ заметно выше, такой подход позволяет не только уменьшить потери энергии, но и применить менее мощные и, как следствие, более дешевые переключатели и полупроводники.

Для некоторых применений позистор демонстрирует самые лучшие характеристики в качестве ОПТ. Поскольку температура NTC-термистора зависит от температуры окружающей среды, при низких температурах его сопротивление выше, соответственно ток заряда накопителя ниже и время выхода на режим больше. С другой стороны, повышенная температура окружащей среды лишает NTC-термистор возможности ограничить пусковой ток вследствие его низкого сопротивления. Поэтому, такой подход не востребован для применений, где требуется широкий температурный диапазон. Для NTC-термисторов время остывания, после которого возможно произвести повторное включение с эффективным ограничением тока, варьируется от 30 до 120 с в зависимости от применения, типа крепления и температуры окружающей среды. Для некоторых применений не требуется продолжительного остывания, где происходит быстрый активный разряд конденсаторов в цепи постоянного тока, например, в инверторах для новых стиральных машин или сушилок. Однако, эффективное применение АОПТ в аппаратуре, где присутствуют короткие перерывы напряжения, может оказаться невозможным в связи с тем, что сопротивление термистора при каждом случае включения будет оставаться низким. В обоих случаях позисторы фирмы EPCOS будут являться эффективным средством ограничения пускового тока.

В НКУ позистор работает как омическое сопротивление номиналом от 20 до 500 Ом (в зависимости от типа). Этого сопротивления хватает для ограничения пускового тока. Как только накопитель полностью заряжен, позистор шунтируется короткозамкнутым реле.

В случае выхода из строя элементов цепи заряда конденсатора, позистор выполняет защитную функцию цепи нагрузки. При протекании тока через элемент, его сопротивление многократно возрастает, и, благодаря наличию таких защитных свойств, позистор может служить защитой от короткого замыкания конденсатора и в случае, если не сработал шунт после полного заряда накопительного конденсатора (отказ коммутирующего элемента).

Все эти явления отказов вызывают резкий скачок температуры ограничителя тока. Для полной уверенности, что эффекты КЗ и отказ реле не причинят вреда аппаратуре, следует устанавливать именно позистор или мощный резистор. Позисторы фирмы EPCOS не требуют предварительного ограничения тока, так как обладают защитными свойствами, и могут устанавливаться непосредственно в питающую сеть с соответсвующим номиналом пробивного напряжения. На рисунке 4 представлен процесс ограничения тока в результате короткого замыкания конденсатора.

​

В результате позисторы фирмы EPCOS (рисунок 5), применяющиеся в составе АОПТ, обладают замечательными свойствами:

- хорошая устойчивость к повышенной температуре окружающей среды.

- эффективное ограничение тока сразу же после отключения нагрузки (отсутствует необходимость охлаждения перед повторным запуском как у NTC-термисторов).

- собственная защита от перегрузки по току, вызванной аварийными ситуациями.

В таблице 1 представлен номенклатурный ряд элементов, основные параметры и наличие в наборах с образцами.

Для всех моделей ОПТ диапазон температур составляет от -20…до +85 С при работе на максимальном пробивном напряжении

График изменения сопротивления приведен в datasheet на сайте EPCOS для температурного диапазона -40…+180 С.

Список используемой литературы:

1. www.epcos.com/ptc_icl

2. www.epcos.com/samplekit

3. Bodo's Power System, February 2014, page 34