eng
Выпуск #8/2019
У. Ву
Как выбрать ограничитель пусковых токов и прерыватель цепи для импульсных источников питания
Как выбрать ограничитель пусковых токов и прерыватель цепи для импульсных источников питания
Просмотры: 2135
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.189.8.62.66
В статье рассмотрено эффективное решение для минимизации переходных токов в импульсных источниках питания – применение ограничителя пусковых токов в сочетании с прерывателем цепи. Предложены рекомендации по выбору основных параметров этих устройств.
В статье рассмотрено эффективное решение для минимизации переходных токов в импульсных источниках питания – применение ограничителя пусковых токов в сочетании с прерывателем цепи. Предложены рекомендации по выбору основных параметров этих устройств.
Теги: circuit breaker inrush current limiter miniature circuit breaker (mcb) switching power supply автоматический микропрерыватель импульсный источник питания ограничитель пусковых токов прерыватель цепи
Как выбрать ограничитель пусковых
токов и прерыватель цепи
для импульсных источников питания
У. Ву 1
В схемах импульсных источников питания для снижения пульсаций выходного напряжения на удвоенной частоте сети и повышения стабильности выходного напряжения при колебаниях сетевого напряжения обычно применяют конденсаторы большой емкости. Однако таким конденсаторам требуются большие токи заряда при начальном включении питания, что влечет за собой высокие пусковые токи. Чтобы минимизировать переходные токи, большинство разработчиков используют термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Недостаток такого подхода состоит в том, что этот компонент в рабочем режиме непрерывно потребляет ток, что не только генерирует тепло, но и оказывает влияние на эффективность источника питания. Невозможность выбора достаточно большого номинала сопротивления термистора ограничивает диапазон подавления пусковых токов. Более эффективное решение – применение ограничителя пусковых токов в сочетании с прерывателем цепи, благодаря чему уменьшается выделяемое тепло и улучшаются характеристики подавления пусковых токов.
Включение в систему ограничителя пусковых токов после прерывателя цепи переменного тока может эффективно снизить вероятность случайного отключения прерывателя цепи при подключении нагрузки переменного тока и повысить общую надежность системы. В качестве примера ограничителя пусковых токов, используемого для снижения кратковременных пиковых токов, вызванных такими емкостными нагрузками, как источники питания, рассмотрим устройства серии ICL‑16 компании MEAN WELL.
Ограничитель пусковых токов ICL‑16, рассчитанный на ток 16 А, состоит из трех частей (рис. 1): 1) цементного резистора R, лишенного недостатка термистора с отрицательным ТКС, сопротивление которого снижается по мере повышения температуры, что позволяет стабилизировать пусковой ток при более высоких температурах; 2) обходного реле, которое накоротко замыкает резистор R как только гасятся переходные токи; 3) схемы управления обходным реле. Благодаря такому схемному решению значительно уменьшается тепло, выделяемое во время работы, и улучшаются характеристики подавления, тем самым устраняются недостатки термистора с отрицательным ТКС.
В серии ICL‑16 предлагаются два типа устройств для разных приложений: ICL‑16R – с монтажом на DIN‑рейку и ICL‑16L – линейного типа (рис. 2). Детальная информация о характеристиках этих изделий доступна на сайте компании MEAN WELL – www.meanwell.com. На рис. 3 представлена схема включения этих устройств.
При расчете количества источников питания, которые можно подключить к ICL‑16, следует учитывать две ключевые характеристики ограничителя пусковых токов – номинальный непрерывный переменный ток и допустимую емкостную нагрузку. Для примера рассмотрим порядок расчета для ICL‑16R и блока питания SDR‑120-24.
Шаг 1. Согласно технической документации номинальное значение непрерывного переменного тока для ICL‑16R составляет 16 А, а допустимая емкостная нагрузка – 2 500 мкФ (рис. 4).
Шаг 2. Для блока питания SDR‑120 типовое значение входного переменного тока при полной нагрузке составляет 0,7 А при 230 В AC (рис. 5). Для расчета количества блоков источников питания нужно разделить непрерывный номинальный ток ICL‑16 на входной переменный ток SDR‑120:
16 A / 0,7 A = 22,8, или,
округляя до целых чисел, 22 блока.
Шаг 3. Согласно данным по испытаниям источников питания серии SDR‑120 емкость конденсатора C5 составляет 100 мкФ (см. рис. 5). Если разделить допустимую емкостную нагрузку ICL‑16 на входную емкость источника питания, получим 2 500 мкФ / 100 мкФ = 25 блоков.
Шаг 4. Выберем меньшее число блоков, сравнив результаты расчета, полученные в шагах 2 и 3, и умножив на коэффициент 0,9:
22 · 0,9 = 19,8 или, округляя, 19.
Таким образом, к ограничителю пусковых токов ICL‑16R можно подключить 19 блоков питания SDR‑120-24.
Рассмотрим, как выбрать подходящий прерыватель цепи. Этот автоматический ключ используется преимущественно в качестве устройства защиты электронного оборудования от сверхтоков, вызванных перегрузкой или коротким замыканием. Его применяют в различных областях, в частности в промышленном производстве, где эти устройства обычно служат защитой электродвигателей.
Один из наиболее распространенных типов прерывателей цепи с низким номинальным током (до 125 А) – автоматический микропрерыватель (Miniature Circuit Breaker – MCB), или, как его называют в Японии, автоматический выключатель без плавкого предохранителя. Автоматические микропрерыватели можно разделить на четыре типа в зависимости от характеристики отключения: A, B, C и D. Устройства типа A применяются для защиты очень чувствительных цепей, например схем на полупроводниковых компонентах. Их мгновенный ток отключения находится в диапазоне от 2 · In до 3 · In (где In – номинальный ток микропрерывателя). Устройства типа B подходят для компьютеров, электронного оборудования и защиты электроцепей жилых помещений. Мгновенный ток отключения этих устройств – от 3 · In до 5 · In. Микропрерыватели типа C применяют в качестве устройств общей защиты в схемах управления, осветительных системах с высоким пусковым током и других вспомогательных цепях. Мгновенный ток отключения этих устройств – от 5 · In до 10 · In. Микропрерыватели типа D с мгновенным током отключения от 10 · In до 20 · In подходят для защиты нагрузок с высоким пусковым током, таких как трансформаторы, электромагнитные клапаны и т. д. Для работы с источниками питания от MEAN WELL рекомендуется использовать устройства типа C или D.
Обычно в спецификациях на микропрерыватели устанавливают следующие характеристики.
Номинальное напряжение. Входное напряжение прерывателя, работающего в нормальных условиях, например 240 или 120 В переменного тока.
Количество полюсов. Количество цепей, которые прерыватель может обслуживать одновременно. Например, 2-полюсный (2P) прерыватель может замкнуть или разомкнуть две цепи. Производители предлагают 1-полюсные (1P), 2-полюсные (2P), 3-полюсные (3P) или 4-полюсные (4P) прерыватели цепи. 3- и 4-полюсные устройства часто применяют в 3-фазных сетях.
Номинальный ток (In). Максимальная величина тока, который прерыватель может бесконечно долго проводить при определенной температуре окружающей среды.
Размер рамки (Inm). Максимальные значения токов, на которые рассчитан прерыватель. Inm также определяет физические размеры устройства.
Максимальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu). Максимальный ток короткого замыкания, который прерыватель способен разомкнуть в заданных режимах, например 380 В – 30 кА.
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Ics). Способность прерывателя обеспечивать нормальную работу после разрыва тока короткого замыкания в заданных режимах, например 380 В – 15 кА. Ics устанавливается в процентах от Icu.
Если какой-либо из перечисленных параметров не указан в спецификации на прерыватель, считается, что устройство не отвечает требованиям стандартов.
При выборе микропрерывателя для конкретных источников питания нужно следовать двум правилам.
Номинальный ток (In) прерывателя должен быть выше суммарного входного тока источников питания. В общем случае номинальный ток не должен быть меньше суммарного входного тока, умноженного на 1,25.
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Ics) микропрерывателя должна быть выше суммарного пускового тока источников питания, возникающего при начальном включении устройств. Обычно длительность импульса пускового тока очень мала, всего несколько мс, и им можно пренебречь. Пока суммарный пусковой ток не превысит Ics, микропрерыватель будет работать корректно и не выйдет из строя.
В качестве примера рассмотрим систему, в которой используются микропрерыватель BHA32C16 производства компании SHIHLIN ELECTRIC и блоки питания светодиодов HLP‑80H от MEAN WELL. Характеристика отключения микропрерывателя BHA32C16 – типа C (5 · In), номинальное напряжение – 380 В AC, номинальный ток – 16 А, номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Ics) – 6 кА при 380 В AC. Основные характеристики HLP‑80H: пусковой ток – 70 A при 230 В AC, входной ток – 0,425 A при 230 В AC. Рассчитаем, сколько блоков питания этого типа можно подключить к микропрерывателю, чтобы сохранить его в замкнутом состоянии:
16 А / 1,25 = 12,8 А; 12,8 А / 0,425 А = 30 блоков,
70 А · 30 = 2 100 A < 6 кА.
Итак, согласно расчету в систему можно установить 30 блоков HLP‑80H. Такая система была собрана и протестирована – микропрерыватель оставался в замкнутом состоянии после подачи питания. Если в расчете не учитывать коэффициент 1,25, то количество блоков в системе увеличится до 37. Однако при тестировании выяснилось, что микропрерыватель отключался при подключении к системе 36 блоков HLP‑80H. Кроме того, параметры, на основе которых производился расчет, соответствовали температуре окружающей среды 25 °C. Если систему планируется эксплуатировать при более высоких температурах, следует учитывать корректировочную температурную кривую микропрерывателя, чтобы снизить его номинальный ток.
Заключение
При подключении источников питания MEAN WELL к системе необходимо использовать подходящий автоматический микропрерыватель, который не позволит системе мгновенно отключиться при подаче питания. В случае затруднений с выбором одного микропрерывателя для системы с высоким входным током рекомендуется ее разделить на несколько подсистем с более низким входным током и использовать доступный микропрерыватель для каждой подсистемы.
Приведенный расчет основан на общем методе без учета пускового тока. Чтобы рассчитать пусковой ток, нужно знать длительность импульса пускового тока на уровне 50% от пикового тока Ipeak и коэффициент безопасности (K) – отношение длительности импульса к амплитуде броска тока. Не все производители прерывателей цепи приводят данные о коэффициенте безопасности в технической документации, поэтому в данную статью расчет пускового тока не включен.
Пусковой ток – неизбежный эффект, сопровождающий запуск импульсного источника питания. Если в системе есть вероятность ложного срабатывания прерывателя цепи включите в систему ограничитель пусковых токов ICL‑16. ●
токов и прерыватель цепи
для импульсных источников питания
У. Ву 1
В схемах импульсных источников питания для снижения пульсаций выходного напряжения на удвоенной частоте сети и повышения стабильности выходного напряжения при колебаниях сетевого напряжения обычно применяют конденсаторы большой емкости. Однако таким конденсаторам требуются большие токи заряда при начальном включении питания, что влечет за собой высокие пусковые токи. Чтобы минимизировать переходные токи, большинство разработчиков используют термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Недостаток такого подхода состоит в том, что этот компонент в рабочем режиме непрерывно потребляет ток, что не только генерирует тепло, но и оказывает влияние на эффективность источника питания. Невозможность выбора достаточно большого номинала сопротивления термистора ограничивает диапазон подавления пусковых токов. Более эффективное решение – применение ограничителя пусковых токов в сочетании с прерывателем цепи, благодаря чему уменьшается выделяемое тепло и улучшаются характеристики подавления пусковых токов.
Включение в систему ограничителя пусковых токов после прерывателя цепи переменного тока может эффективно снизить вероятность случайного отключения прерывателя цепи при подключении нагрузки переменного тока и повысить общую надежность системы. В качестве примера ограничителя пусковых токов, используемого для снижения кратковременных пиковых токов, вызванных такими емкостными нагрузками, как источники питания, рассмотрим устройства серии ICL‑16 компании MEAN WELL.
Ограничитель пусковых токов ICL‑16, рассчитанный на ток 16 А, состоит из трех частей (рис. 1): 1) цементного резистора R, лишенного недостатка термистора с отрицательным ТКС, сопротивление которого снижается по мере повышения температуры, что позволяет стабилизировать пусковой ток при более высоких температурах; 2) обходного реле, которое накоротко замыкает резистор R как только гасятся переходные токи; 3) схемы управления обходным реле. Благодаря такому схемному решению значительно уменьшается тепло, выделяемое во время работы, и улучшаются характеристики подавления, тем самым устраняются недостатки термистора с отрицательным ТКС.
В серии ICL‑16 предлагаются два типа устройств для разных приложений: ICL‑16R – с монтажом на DIN‑рейку и ICL‑16L – линейного типа (рис. 2). Детальная информация о характеристиках этих изделий доступна на сайте компании MEAN WELL – www.meanwell.com. На рис. 3 представлена схема включения этих устройств.
При расчете количества источников питания, которые можно подключить к ICL‑16, следует учитывать две ключевые характеристики ограничителя пусковых токов – номинальный непрерывный переменный ток и допустимую емкостную нагрузку. Для примера рассмотрим порядок расчета для ICL‑16R и блока питания SDR‑120-24.
Шаг 1. Согласно технической документации номинальное значение непрерывного переменного тока для ICL‑16R составляет 16 А, а допустимая емкостная нагрузка – 2 500 мкФ (рис. 4).
Шаг 2. Для блока питания SDR‑120 типовое значение входного переменного тока при полной нагрузке составляет 0,7 А при 230 В AC (рис. 5). Для расчета количества блоков источников питания нужно разделить непрерывный номинальный ток ICL‑16 на входной переменный ток SDR‑120:
16 A / 0,7 A = 22,8, или,
округляя до целых чисел, 22 блока.
Шаг 3. Согласно данным по испытаниям источников питания серии SDR‑120 емкость конденсатора C5 составляет 100 мкФ (см. рис. 5). Если разделить допустимую емкостную нагрузку ICL‑16 на входную емкость источника питания, получим 2 500 мкФ / 100 мкФ = 25 блоков.
Шаг 4. Выберем меньшее число блоков, сравнив результаты расчета, полученные в шагах 2 и 3, и умножив на коэффициент 0,9:
22 · 0,9 = 19,8 или, округляя, 19.
Таким образом, к ограничителю пусковых токов ICL‑16R можно подключить 19 блоков питания SDR‑120-24.
Рассмотрим, как выбрать подходящий прерыватель цепи. Этот автоматический ключ используется преимущественно в качестве устройства защиты электронного оборудования от сверхтоков, вызванных перегрузкой или коротким замыканием. Его применяют в различных областях, в частности в промышленном производстве, где эти устройства обычно служат защитой электродвигателей.
Один из наиболее распространенных типов прерывателей цепи с низким номинальным током (до 125 А) – автоматический микропрерыватель (Miniature Circuit Breaker – MCB), или, как его называют в Японии, автоматический выключатель без плавкого предохранителя. Автоматические микропрерыватели можно разделить на четыре типа в зависимости от характеристики отключения: A, B, C и D. Устройства типа A применяются для защиты очень чувствительных цепей, например схем на полупроводниковых компонентах. Их мгновенный ток отключения находится в диапазоне от 2 · In до 3 · In (где In – номинальный ток микропрерывателя). Устройства типа B подходят для компьютеров, электронного оборудования и защиты электроцепей жилых помещений. Мгновенный ток отключения этих устройств – от 3 · In до 5 · In. Микропрерыватели типа C применяют в качестве устройств общей защиты в схемах управления, осветительных системах с высоким пусковым током и других вспомогательных цепях. Мгновенный ток отключения этих устройств – от 5 · In до 10 · In. Микропрерыватели типа D с мгновенным током отключения от 10 · In до 20 · In подходят для защиты нагрузок с высоким пусковым током, таких как трансформаторы, электромагнитные клапаны и т. д. Для работы с источниками питания от MEAN WELL рекомендуется использовать устройства типа C или D.
Обычно в спецификациях на микропрерыватели устанавливают следующие характеристики.
Номинальное напряжение. Входное напряжение прерывателя, работающего в нормальных условиях, например 240 или 120 В переменного тока.
Количество полюсов. Количество цепей, которые прерыватель может обслуживать одновременно. Например, 2-полюсный (2P) прерыватель может замкнуть или разомкнуть две цепи. Производители предлагают 1-полюсные (1P), 2-полюсные (2P), 3-полюсные (3P) или 4-полюсные (4P) прерыватели цепи. 3- и 4-полюсные устройства часто применяют в 3-фазных сетях.
Номинальный ток (In). Максимальная величина тока, который прерыватель может бесконечно долго проводить при определенной температуре окружающей среды.
Размер рамки (Inm). Максимальные значения токов, на которые рассчитан прерыватель. Inm также определяет физические размеры устройства.
Максимальная отключающая способность при коротком замыкании (Icu). Максимальный ток короткого замыкания, который прерыватель способен разомкнуть в заданных режимах, например 380 В – 30 кА.
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Ics). Способность прерывателя обеспечивать нормальную работу после разрыва тока короткого замыкания в заданных режимах, например 380 В – 15 кА. Ics устанавливается в процентах от Icu.
Если какой-либо из перечисленных параметров не указан в спецификации на прерыватель, считается, что устройство не отвечает требованиям стандартов.
При выборе микропрерывателя для конкретных источников питания нужно следовать двум правилам.
Номинальный ток (In) прерывателя должен быть выше суммарного входного тока источников питания. В общем случае номинальный ток не должен быть меньше суммарного входного тока, умноженного на 1,25.
Номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Ics) микропрерывателя должна быть выше суммарного пускового тока источников питания, возникающего при начальном включении устройств. Обычно длительность импульса пускового тока очень мала, всего несколько мс, и им можно пренебречь. Пока суммарный пусковой ток не превысит Ics, микропрерыватель будет работать корректно и не выйдет из строя.
В качестве примера рассмотрим систему, в которой используются микропрерыватель BHA32C16 производства компании SHIHLIN ELECTRIC и блоки питания светодиодов HLP‑80H от MEAN WELL. Характеристика отключения микропрерывателя BHA32C16 – типа C (5 · In), номинальное напряжение – 380 В AC, номинальный ток – 16 А, номинальная отключающая способность при коротком замыкании (Ics) – 6 кА при 380 В AC. Основные характеристики HLP‑80H: пусковой ток – 70 A при 230 В AC, входной ток – 0,425 A при 230 В AC. Рассчитаем, сколько блоков питания этого типа можно подключить к микропрерывателю, чтобы сохранить его в замкнутом состоянии:
16 А / 1,25 = 12,8 А; 12,8 А / 0,425 А = 30 блоков,
70 А · 30 = 2 100 A < 6 кА.
Итак, согласно расчету в систему можно установить 30 блоков HLP‑80H. Такая система была собрана и протестирована – микропрерыватель оставался в замкнутом состоянии после подачи питания. Если в расчете не учитывать коэффициент 1,25, то количество блоков в системе увеличится до 37. Однако при тестировании выяснилось, что микропрерыватель отключался при подключении к системе 36 блоков HLP‑80H. Кроме того, параметры, на основе которых производился расчет, соответствовали температуре окружающей среды 25 °C. Если систему планируется эксплуатировать при более высоких температурах, следует учитывать корректировочную температурную кривую микропрерывателя, чтобы снизить его номинальный ток.
Заключение
При подключении источников питания MEAN WELL к системе необходимо использовать подходящий автоматический микропрерыватель, который не позволит системе мгновенно отключиться при подаче питания. В случае затруднений с выбором одного микропрерывателя для системы с высоким входным током рекомендуется ее разделить на несколько подсистем с более низким входным током и использовать доступный микропрерыватель для каждой подсистемы.
Приведенный расчет основан на общем методе без учета пускового тока. Чтобы рассчитать пусковой ток, нужно знать длительность импульса пускового тока на уровне 50% от пикового тока Ipeak и коэффициент безопасности (K) – отношение длительности импульса к амплитуде броска тока. Не все производители прерывателей цепи приводят данные о коэффициенте безопасности в технической документации, поэтому в данную статью расчет пускового тока не включен.
Пусковой ток – неизбежный эффект, сопровождающий запуск импульсного источника питания. Если в системе есть вероятность ложного срабатывания прерывателя цепи включите в систему ограничитель пусковых токов ICL‑16. ●
Отзывы читателей
