Χρήση NTC Thermistor για μείωση αρχικού ρεύματος (Power ON)

Ηλεκτρονικά εξαρτήματα και ηλεκτρολογικό υλικό, θεωρία, πως λειτουργεί, που το βρίσκουμε, τεκμηρίωση (datasheets), βιβλιογραφία.
Άβαταρ μέλους
GeorgeVita
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 482
Εγγραφή: 04 Σεπ 2013, 21:51
Ονομα: Γιώργος
Επικοινωνία:

Χρήση NTC Thermistor για μείωση αρχικού ρεύματος (Power ON)

Δημοσίευσηαπό GeorgeVita » 06 Σεπ 2013, 18:53

Χρήση NTC Thermistor για μείωση αρχικού ρεύματος (στο Power ON)

Ολες σχεδόν οι ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές "τραβάνε" πολύ και απότομα ρεύμα κατά την αρχική τροφοδότησή τους, δηλαδή όταν βάλουμε το φις στην πρίζα ή μόλις "ανάψουμε" τη συσκευή. Αυτό το "απότομο" αρχικό ρεύμα (Inrush Current) είναι μια σημαντική παράμετρος στη σχεδίαση κυκλωμάτων που καθορίζει σημαντικά την διάρκεια ζωής του τελικού προϊόντος.

Μείωση του αρχικού απότομου ρεύματος γίνεται εύκολα με χρήση NTC thermistor σε σειρά με το κύκλωμα.

Τα θερμίστορ είναι αντιστάσεις μεταβαλλόμενες με τη θερμοκρασία. Στα θερμίστορ NTC η αντίσταση μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα της θερμοκρασίας (Negative Temperature Coefficient) λ.χ. έχει αντίσταση 10Ω σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και όταν περάσει ρεύμα μέσα του ζεσταίνεται με την αντίστασή του να πέφτει στο 0.5Ω. Η συνηθέστερη μορφή είναι δίσκος με ακροδέκτες:

Εικόνα

Τα θερμίστορ NTC έχουν και άλλες χρήσεις όπως μέτρηση θερμοκρασίας, αντιστάθμιση κυκλώματος για σταθερότητα σε θερμοκρασιακές μεταβολές, ανίχνευση ροής αέρα ή υγρών, χρονική καθυστέρηση.

Εδώ αναφερόμαστε στα θερμίστορ NTC ισχύος για μείωση του ρεύματος εκκίνησης. Αυτά τα θερμίστορ χαρακτηρίζονται από:

- Μέγιστη τάση λειτουργίας
- Μέγιστο ρεύμα εκκίνησης
- Ενέργεια προς απορρόφηση κατά την εκκίνηση
- Ρεύμα κανονικής λειτουργίας
- Αντίσταση χωρίς ρεύμα ("κρύο")
- Αντίσταση με ρεύμα ("ζεστό")

Η μεταβολή της αντίστασης σε σχέση με τη θερμοκρασία δεν είναι γραμμική και περιγράφεται με καμπύλη που θα βρείτε στα datasheets.

Παραδείγματα εφαρμογών

Το πιο απλό κύκλωμα που μπορούμε να φανταστούμε είναι μια λάμπα πυρακτώσεως που τροφοδοτείται από μια πηγή και ένας διακόπτης κλείνει το κύκλωμα.

Εικόνα

Η λάμπα πυρακτώσεως είναι μια αντίσταση (νήμα) προσδιορίζεται από την τάση λειτουργίας της και την ισχύ που καταναλώνει. Διαιρώντας την ισχύ διά την τάση βρίσκουμε το ρεύμα λειτουργίας. Μετά είναι απλό να υπολογίσουμε την αντίσταση του νήματος:

Λ.χ. λάμπα 230V 60W έχει ρεύμα λειτουργίας I=P/V=60W/230V=0.26A
άρα αντίσταση R=V/I=230V/0.26A=884Ω

Ομως ποιά είναι η αντίσταση του νήματος όταν είναι κρύο, δηλαδή τη στιγμή που θα κλείσουμε το κύκλωμα μέσω του διακόπτη; Σε μια λάμπα Philips 60W (μικρός γλόμπος E14) μέτρησα 59Ω δηλαδή 15 φορές χαμηλότερη! Το στιγμιαίο ρεύμα έναυσης θα είναι Ip=230V/59Ω=3.89A που θα ισοδυναμούσε με φορτίο 896W ...

Τι θα γίνει αν χρησιμοποιήσουμε σε σειρά ένα θερμίστορ NTC;
Αν το παγωμένο θερμίστορ έχει αντίσταση 220Ω, με το κλείσιμο του διακόπτη το ρεύμα θα έχει μέγιστη τιμή: Is=230V/(220Ω+59Ω)=0.82A

Η πράξη έχει αποδείξει ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο χάλια. Οι λάμπες πυρακτώσεως δεν "σκάνε" στο άναμμα ούτε "καίγονται" οι διακόπτες. Η αλήθεια όμως είναι πως όταν η λάμπα παλιώσει καίγεται σχεδόν πάντα στο άναμμά της γιατί έχουν δημιουργηθεί στο νήμα λεπτότερα σημεία που κόβονται με το απότομο και μεγάλο ρεύμα έναυσης. Οι παλιοί διακόπτες σπινθηρίζουν στο άναμμα.

Σε ένα πραγματικό κύκλωμα που θα τοποθετήσουμε NTC thermistor για προστασία από το ρεύμα εκκίνησης πρέπει να υπολογίσουμε και τι γίνεται αφού ζεσταθεί το θερμίστορ. Τότε θα παραμένει μια μικρότερη αντίσταση σε σειρά στο κύκλωμά μας καταναλώνοντας ενέργεια την οποία πρέπει να την αντέχει και να μη μας δημιουργεί άλλα προβλήματα όπως πτώση τάσεως άρα η επιλογή του θερμίστορ θα γίνει λαμβάνοντας υπόψη και την "κανονική" λειτουργία της συσκευής. Ενα άλλο σημείο που θέλει προσοχή είναι ότι τα ζεστά θερμίστορ δεν προστατεύουν αρκετά το κύκλωμα. Αν η τάση κάνει απότομα σκαμπανεβάσματα και παλμικές διακοπές έχουμε "νέες παραμέτρους". Μια λύση είναι να χρησιμοποιήσουμε ρελέ για να βραχυκυκλώσουμε το θερμίστορ μετά από την εκκίνηση αυξάνοντας έτσι το βαθμό απόδοσης του κυκλώματος (χωρίς να παρεμβάλλεται πια η αντίσταση του NTC) ενώ παγώνει το θερμίστορ για την επόμενη χρήση του.

Οι σύγχρονες συσκευές χρησιμοποιούν τροφοδοτικά μεταγωγής (Switching Mode Power Supply). Η αρχή λειτουργίας των SMPS είναι η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης δικτύου σε συνεχή (τα 230VAC γίνονται 325VDC) η οποία διαμορφώνεται σε παλμούς μεταβλητού πλάτους (Pulse Width Modulation). Στην είσοδο του τροφοδοτικού υπάρχει γέφυρα ανόρθωσης και ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές εξομάλυνσης. Το κύκλωμα συμπληρώνει ένα NTC thermistor που σκοπό έχει να μειώσει το αρχικό μεγάλο και απότομο ρεύμα φόρτισης των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών.

Εικόνα

Οι κλασσικές συσκευές που χρησιμοποιούν μεγάλους μετασχηματιστές (λ.χ. ενισχυτές ισχύος για ήχο) έχουν παρόμοιο πρόβλημα το οποίο μπορεί να μειωθεί με τη χρήση κατάλληλου NTC thermistor.

Αρκετά φωτιστικά "οικονομίας" χρησιμοποιούν θερμίστορ NTC στο κύκλωμά τους.

Πως θα επιλέξουμε το θερμίστορ NTC για την μείωση του αρχικού ρεύματος;

Επειδή η βασική χρήση θα είναι η προστασία από το αρχικό ρεύμα, πρέπει πρώτα να υπολογίσουμε την αντίσταση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος λειτουργίας (λ.χ. 20-45°C) ώστε να έχουμε ρεύμα εντός των ορίων μας (ανάλογα με την εφαρμογή). Κάθε θερμίστορ χαρακτηρίζεται από μιά καμπύλη με διαφορετική κλίση ανάλογα με τη χημική σύνθεση του υλικού. Διαφορετικές "κλίσεις" δίνουν μικρή η μεγαλύτερη μεταβολή της αντίστασης σε σχέση με τη θερμοκρασία. Στην "κανονική" λειτουργία η αντίσταση πρέπει να είναι τέτοια που να μην επηρεάζει το υπόλοιπο κύκλωμα. Ακόμη και 1Ω μπορεί να είναι πρόβλημα σε κάποιες εφαρμογές. Η χρυσή τομή είναι μεταξύ ασφαλούς έναυσης (Power ON) και μικρότερης κατανάλωσης επάνω στο θερμίστορ στην κανονική λειτουργία του κυκλώματος. Αν χρειάζεται μεγαλύτερη μεταβολή διαλέγουμε πιό "απότομη" καμπύλη.

Τα θερμίστορ όταν είναι ζεστά δεν προστατεύουν αρκετά το κύκλωμα. Αν η τάση κάνει απότομα σκαμπανεβάσματα και παλμικές διακοπές έχουμε "νέο σενάριο". Κάποιοι χρησιμοποιούν ρελέ για να βραχυκυκλώσουν το θερμίστορ μετά από την εκκίνηση αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης (χωρίς να παρεμβάλλεται πια η αντίσταση του NTC) ενώ παγώνει το θερμίστορ για την επόμενη χρήση του. Αυτό είναι standard για εφαρμογή 'on time delay' με ρελέ και NTC. Το NTC συνδέεται σε σειρά με το πηνίο του ρελέ και καθυστερεί το όπλισμα του ρελέ. Μια επαφή θα βραχυκυκλώσει το NTC για να παγώσει μόνο του εκτός κυκλώματος.

Για να έχετε μια ιδέα της τάξης μεγέθους των στιγμιαίων ρευμάτων λόγω επαγωγής στο πρωτεύον μετασχηματιστών, διαβάστε το:
http://www.ametherm.com/inrush-current/ ... rrent.html

Περισσότερα για τα θερμίστορ NTC θα βρείτε στα datasheet των εταιρειών που τα κατασκευάζουν:
AVX - EPCOS - AMETHERM

Άβαταρ μέλους
GeorgeVita
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 482
Εγγραφή: 04 Σεπ 2013, 21:51
Ονομα: Γιώργος
Επικοινωνία:

Re: Χρήση NTC Thermistor για μείωση αρχικού ρεύματος (Power

Δημοσίευσηαπό GeorgeVita » 01 Δεκ 2014, 08:20

Πρόσφατα διάβασα ένα τεχνικό πρόβλημα συναφές με το παρόν θέμα:
"Δεν λειτουργούν σωστά οι σταθεροποιητές τάσης για τροφοδότηση λαμπτήρα πυρακτώσεως 12V/15W"

Αν και σε πρώτη ανάλυση το ρεύμα που χρειαζόμαστε είναι "εντός των ορίων" απλών σταθεροποιητών (15W/12V=1.25A), το θέμα περιπλέκεται όταν έχουμε για φορτίο μια απλή λάμπα πυρακτώσεως! Ενώ στην κανονική λειτουργία της η λάμπα θα έχει αντίσταση 12V/1.25A=9.6Ω (ζεστό νήμα), στην αρχική τροφοδότηση θα έχει αντίσταση περίπου το 1/15, δηλαδή 9.6Ω/15=0,64Ω που αντιστοιχεί σε αρχικό ρεύμα 12V/0.64Ω=18.75A!

Τοποθετώντας σε σειρά ένα NTC thermistor EPCOS B57211P0160M3 με αντίσταση 16Ω όταν είναι κρύο και γύρω στο 0.9Ω στο ρεύμα λειτουργίας μας (1.25Α) λύνουμε το πρόβλημα με το σταθεροποιητή αλλά "χάνουμε" λίγο τάση επάνω στο θερμίστορ. Ανεβάζοντας λίγο την τάση σταθεροποίησης, αντισταθμίζουμε την χαμένη τάση για μέγιστη φωτοβολία της λάμπας. Το κόστος για το θερμίστορ περίπου €1 συν μια "χαμένη" ποσότητα ενέργειας που καταναλώνεται επάνω του (1.25Ax1.25Αx0.9Ω=1.4W) θα αποσβεστούν από την "άκαυτη" πια λάμπα!

Στο παρακάτω γράφημα φαίνεται η συμπεριφορά του κυκλώματος NTC thermistor σε σειρά με συσκευή για προστασία:
Εικόνα

Σχετικα:
EPCOS-NTC thermistors for inrush current limiting
AVX-NTC thermistors

Σημειώσεις:
Τα θερμίστορ ανακαλύφθηκε το 1833 από τον Faraday αλλά εμφανίστηκε ως εξάρτημα στην βιομηχανία ηλεκτρονικών μετά το 1930.
Το PTC θερμίστορ έγινε απαραίτητο εξάρτημα σε όλες τις τηλεοράσεις για περιορισμό ρεύματος και προστασία των νημάτων των λυχνιών και ως "χρονοδιακόπτης" αυτόματης απομαγνήτησης της οθόνης (auto degausing).
Κάθε σύγχρονη συσκευή που έχει παλμοτροφοδοτικό (switching PSU), έχει στην είσοδο ένα NTC θερμίστορ για μείωση του αρχικού απότομου ρεύματος.

Αν είχε ενσωματωθεί thermistor στις λάμπες πυρακτώσεως, θα μεγάλωνε αρκετά η διάρκεια ζωής τους, μειώνοντας το κόστος χρήσης τους.

Άβαταρ μέλους
GeorgeVita
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 482
Εγγραφή: 04 Σεπ 2013, 21:51
Ονομα: Γιώργος
Επικοινωνία:

Re: Χρήση NTC Thermistor για μείωση αρχικού ρεύματος (Power

Δημοσίευσηαπό GeorgeVita » 29 Δεκ 2014, 12:51

Εβαλες NTC thermistor στην κατασκευή ή την "ανακαίνιση" του λαμπάτου ενισχυτή ήχου;
Αν δεν έβαλες, διάβασε τι γράφει στο “McIntosh MC75 Owners Manual”:
To greatly extend tube and component life a thermistor in the MC75 limits current surges produced when the equipment is turned on. The thermistor is a special type of resistor. Its resistance depends on the temperature. When the amplifier is off the thermistor has a high resistance value (about 79 ohms). Just after the amplifier is turned on the current which flows through the thermistor heats it and causes its resistance to decrease to a low value (less than .7 ohms). Current is thus limited when the MC75 is first turned on but is not limited as the unit warms.

Το σχέδιο στην είσοδο της τροφοδοσίας:
Εικόνα
Σημειώστε ότι αναφέρονται σε τροφοδοσία 120V και κατανάλωση 240W, άρα ρεύμα 2Α. Υπολόγισαν thermistor με αρχική αντίσταση 79Ω (κρύο) και αντίσταση λειτουργίας 0.7Ω (ζεστό).


Επιστροφή σε “Υλικό, εξαρτήματα, βιβλιογραφία”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 2 επισκέπτες