معرفی جریان هجومی و روش‌های محدود کننده آن

در این بخش از مقالات آموزشی، شما با مبحث جریان هجومی و محدود کننده های آن آشنا می‌شوید وهمچنین توانایی شناسایی و کنترل عواملی که باعث رخ دادن این جریان می‌شوند را بدست می‌آورید. این موارد جزء کاربردی‌ترین تکنیک‌های محدودسازی جریانات هجومی در انواع مدارات بشمار می‌آیند، پس در این آموزش نیز با ما همراه باشید.

جریان هجومی چیست؟

تجهیزات الکتریکی به محض روشن شدن، شدت انرژی الکتریکی زیادی را متحمل می‌شوند که از حالت پایدار فراتر می‌رود که به این، جریان هجومی (Inrush Current) یا جریان ضربه ای گویند.

چرا جریان هجومی اتفاق می‌افتد؟

عوامل مؤثر بر جریان هجومی می‌توانند به علت‌های گوناگون و زیادی رخ دهند که ما در ادامه به چند نمونه اشاره می‌کنیم:

برای درک بهتر جریان هجومی، شکل‌ (1) ، شکل موج جریان را هنگام اتصال منبع تغذیه نشان می‌دهد. هنگامی‌که منبع تغذیه روشن می‌شود، جریان شروع به شارش می‌کند و مقداراولیه‌ی آن به حداکثر میزان خود می‌رسد که از حالت پایدار بیشتر است. سپس، مقدار جریان به تدریج کاهش می‌یابد تا اینکه به حالت پایدار رسیده و ثابت شود. ناحیه‌ای که در طی آن جریان زیادی قبل از رسیدن به حالت پایدار شارش می‌یابد، جریان هجومی را نشان می‌دهد.

 چنانچه مقدار جریان هجومی بیشتر از مقدار جریان مصرفی مجاز یک قطعه باشد، بسته به بزرگی جریان‌هجومی (اختلاف حداکثر مقدار جریان و مقدار جریان حالت پایدار) و طول مدت آن (بازه زمانی که حداکثر مقدار جریان به مقدار جریان حالت پایدار همگرا می‌شود، که از این پس پهنای پالس نامیده می‌شود) قطعه مورد استفاده در مدار ممکن است بیش از حد گرم شده و آسیب ببیند و در نهایت منجر به اختلال و خرابی دستگاه الکتریکی می‌شود.

چگونه جریان هجومی باعث ایجاد خطای مدارباز می‌شود؟

• در ادامه با نمونه‌ای از خرابی‌های رایج در قطعاتی که برای حذف نویز در یک خط تغذیه استفاده می‌شوند آشنا خواهیم شد.

چنانچه جریان هجومی از مقدار جریان نامی تراشه‌های فریت‌بید (که برای حذف نویز به کار می‌روند) بیشتر شود؛ این تراشه‌ها بیش از حد گرم می‌شوند. در بدترین حالت، خطای مدارباز رخ خواهد داد. شکل (2) ، شکل موج‌های مختلفی را نشان می‌دهد که هنگام تغییر شرایط به ازای حداکثر مقدار جریان و پهنای پالس شکل موج جریان‌هجومی به دست می‌آید. شکل موج (1) دارای حداکثر جریان بزرگی است، شکل موج (2) پهنای پالس بزرگی دارد و شکل موج (3) نیز موجی بدون خرابی را نشان می‌دهد.

در شکل موج (1) ، جریان بسیار زیادی به صورت لحظه‌ای در تراشه فریت‌بید جریان می‌یابد و الکترود داخلی آن را ذوب کرده و سبب ایجاد خطای مدارباز می‌شود. هنگامی‌که الکترود ذوب می‌شود، خودِ تراشه ممکن است ترک خورده و بشکند. در شکل موج (2) ، تراشه فریت‌بید همچنان به گرم شدن ادامه می‌دهد و در نهایت مانند شکل موج (1) الکترود داخلی آن ذوب می‌شود. سپس تراشه فریت‌بید به منبعی از گرما تبدیل شده و ممکن است باعث سوختن بردی شود که روی آن قرار گرفته است.

همان‌طور که در نمودار بالا می‌بینید، جریان هجومی‌ای که از تراشه حذف‌کننده نویز فریت‌بید می‌گذرد، می‌تواند باعث اختلال در عملکرد آن شود. عواملی مانند حداکثر جریان و پهنای پالس به افزایش جریان‌هجومی کمک می‌کنند، بنابراین در نظر گرفتن جریان نامی هنگام انتخاب تراشه‌های فریت‌بید برای استفاده ایمن در محصولات اهمیت دارد.

تکنیک‌ها و راه‌حل‌های محدود‌‌سازی جریان‌هجومی

به دلیل اینکه اغلب از تریستور‌ها برای تشخیص محدودیت‌های دما استفاده می‌شود، در ترمیستورهای NTC (ضریب حرارتی منفی) ، با افزایش دما مقدار مقاومت ترمیستور کاهش و در ترمیستورهای PTC (ضریب حرارتی مثبت)، با افزایش دما مقاومت ترمیستور افزایش می‌یابد. با بالاتر رفتن دما از یک مقدار مشخص، ترمیستورهای PTC افزایش شدید مقاومت را نشان می‌دهند که این ویژگی، آن‌ها را به عنوان سنسورهای محدودکننده حرارت مناسب ساخته است. از طرف دیگر ترمیستورهای NTC ویژگی خطی بودن بیشتری از خود نشان می‌دهند بنابراین برای اندازه‌گیری دما مناسب هستند.

ترمیستورهای PTC در عین حال که کنترل و اندازه‌گیری دقیق دما را ارائه می‌دهند، هنگامی‌که شرایط دما و توان موردنیاز برقرار باشد، حفاظت پایدارتر و قابل اعتمادتری نیز در برابر نوسانات جریان هجومی و اتصال کوتاه ارائه می‌دهند.

محدود ‌کردن جریان هجومی برای جلوگیری از فراتر رفتن جریان از حد بحرانی و سوختن فیوزها یا از بین رفتن یکسوسازها ضروری است.

هنگامی‌که تجهیزات الکتریکی، اینورترها یا منابع تغذیه روشن و فعال می‌شوند، جریان‌ بالایی مشاهده می‌شود که جهش در جریان‌های الکتریکی را محتمل است. جریان‌های هجومی نامتناسب می‌تواند به اجزای منبع تغذیه از جمله یکسوسازها، فیوزها و سایر قطعاتی که جریان الکتریکی را از منبع تغذیه دریافت می‌کنند آسیب برساند و آن‌ها را از بین ببرد. در نتیجه، اقدامات ایمنی برای محافظت در برابر چنین مسائلی ضرورت دارد.

در روش فعال محدود‌کردن جریان هجومی، یک مقاومت اهمی، یک ترمیستور NTC، یا یک ترمیستور PTC می‌تواند به عنوان یک جزء ICL استفاده شود.

محدودکننده جریان‌هجومی پسیو

ICL های پسیو محدودیت‌های متعددی، به ویژه در منابع تغذیه بسیار کوچک با توان کم در حد چند وات، دارند. ساده‌ترین راه‌حل در این مورد افزودن یک مقاومت به صورت سری با بار است، با این حال، اتلاف توان یک مقاومت ثابت به طور قابل توجهی بازده کلی منابع تغذیه با توان بالاتر را تضعیف می‌کند. در نتیجه، ترمیستورهای NTC در جایی که به محدودیت جریان پسیو تا حداکثر 500 وات مورد نیاز است، به یک راه‌حل استاندارد ICL تبدیل شده‌اند.

از آنجایی‌که ترمیستورهای NTC در حالت سرد، اهم بالا و در حالت گرم، اهم پایینی دارند، مقاومت اولیۀ بالا در NTC های محدود کننده جریان‌هجومی، پیک جریان‌ را در حالت سرد از خود عبور داده و باعث می‌شود مقاومت آن‌ها نسبت به مقدار اولیه شان حدود چند درصد کاهش ‌یابد و نیز روند نزولی توان مصرفی آن‌ها را در طی عملکردشان، به همراه خواهد داشت. به همین دلیل است که NTC های محدودکننده جریان‌هجومی ممکن است پس از شارژ کامل خازن در مدار باقی بمانند.

با نزدیک شدن توان نامی به 500 وات، کارآیی مدار پسیو کاهش می‌یابد و نقاط ضعفش به وضوح خود را نمایان می‌کند. با توجه به اینکه طراحی منابع تغذیه به طور قابل ملاحظه‌ای بر حذف توان اتلافی تمرکز دارد، محدودکننده‌های جریان هجومی راه‌حل ایده‌آلی برای این کاربردها نیستند. به این علت که آن‌ها همیشه با بار سری هستند که باعث اتلاف توان بیشتری می‌شوند. هرچه توان نامی دستگاه و مدت زمان کار آن بیشتر باشد، اتلاف توان پارازیتی اساسی‌تری رخ خواهد داد!

محدودکننده جریان‌هجومی اکتیو

در کاربردهایی که سطح توان از 500 وات فراتر می‌رود، بای‌پس کردن محدودکننده جریان هجومی پس از کاهش پیک آن جریان با استفاده از رله یا ترایاک، روشی استاندارد است. در چنین کاربردهایی، مدار محدود‌کننده جریان‌ اکتیو با توجه به نیاز، مقاومتی مانند یک ترمیستور NTC یا PTC را به عنوان مؤلفه‌ی محدودکننده جریان هجومی به کار می‌گیرد. به عنوان مثال، ترمیستورهای PTC معمولاً در شارژرهای وسایل نقلیه (هم الکتریکی و هم هایبرید) که توان آن‌ها تنها چند کیلو وات است، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با اینکه محدود‌کننده جریان هجومی اکتیو در کاربردهایی با توان بالاتر از 500 وات بیشترین مزایا را دارد، اما ممکن است برای بهبود عملکرد کاربردهایی با سطح توان پایین‌تر نیز مورد استفاده قرار گیرد. مهم‌ترین نکته این است که آیا از نظر هزینه هم به کارگیری آن ارزشمند است یا خیر؟ به عنوان مثال، اگرچه ممکن است هزینه کلی سیستم با استفاده ازمحدودکننده جریان هجومی اکتیو کمی افزایش یابد، اما اتلاف توان کاهش یافته‌ای را برای استفاده از یک کلید ارزان‌‌ قیمت تر یا سایر قطعات با توان نامی کمتر را امکان‌پذیر می‌سازد.

کاربرد ترمیستورهای PTC در ایجاد محدودیت

همان‌طورکه اشاره کردیم، در بسیاری از کاربردها ترمیستورهای PTC به عنوان محدودکننده‌های جریان هجومی می‌توانند عملکرد بهتری داشته باشند.

به عنوان مثال، مقاومت یک NTC محدود کننده جریان‌های هجومی، هنگام عبور جریان به دمای محیط بستگی دارد. زمانی که دمای محیط پایین است، مقاومت ترمیستور NTC بالا است و در نتیجه به دلیل جریان شارژ کمتر، زمان شارژ طولانی‌تر خواهد بود. در مقابل، هرچه دمای محیط بیشتر باشد، NTC محدودکننده جریان هجومی مقاومت کمتری خواهد داشت، که توانایی آن را برای خنثی‌سازی جریان‌های هجومی محدود می‌کند. وابستگی به دما استفاده از NTC ها در کاربردهایی با محدوده دمای کاری وسیع ناشی از خورشید، اصطکاک یا سایر عوامل مؤثر بر دمای محیط را مشکل‌ساز می‌کند.

علاوه‌براین، NTC محدودکننده جریان قبل از اینکه بتواند جریان شارژ را محدود کند باید کاملاً سرد شود. زمان معمول سرد شدن ترمیستور NTC بین 30 تا 120 ثانیه پس از قطع ولتاژ است، اما دمای محیط و روش نصب نیز تاثیرگذار است. معمولاً زمان سرد شدن آن به اندازه کافی سریع است، اما در بسیاری از کاربردها،  قبل از اینکه NTC به اندازه کافی سرد شود لازم است از محدود کننده جریان هجومی استفاده شود.

به علاوه، ترمیستور PTC در صورت بروز مشکل در مدار شارژ، می‌تواند از مدار محافظت کند. به این‌شکل که عبور جریان باعث افزایش دما و مقاومت در ترمیستور PTC می‌شود که این موجب محافظت از ترمیستور می‌شود. (این مورد مزیت قابل توجهی نسبت به سایر روش‌های محدودکننده جریان‌هجومی بشمار می‌رود) به لطف این ویژگی‌ها، استفاده از ترمیستورهای PTC در کاربردهایی که خازن اتصال کوتاه می‌شود یا در مواردی که خرابی قطعه سوئیچینگ سبب می‌شود عنصر محدودکننده جریان پس از شارژ خازن پیوند DC بای‌پس نشود، مناسب‌تر است. با این حال، هر دوی این حالت‌های خرابی باعث تنش حرارتی در دستگاه محدودکننده جریان می‌شود.

• در چنین مواقعی دو راه‌حل برای محافظت از عنصر محدود کننده جریان هجومی وجود دارد. ایده‌آل‌ترین حالت استفاده از ترمیستور PTC است، و حالت دوم به‌کارگیری مقاومت دیگری با توان کافی با توجه به این نوسانات است. درحالی که راهکار دوم ممکن است همیشه قابل اجرا نباشد، PTC های محدودکننده جریان برای استفاده در شرایطی که مستقیماً به منبع تغذیه متصل شده‌اند حتی در حداکثر ولتاژ نامی خود، طراحی شده‌اند و در هر کاربردی که ممکن است مشکل‌ساز باشد، مناسب اند.