Dimensionamiento del termistor NTC para entrada de condensadores

El problema de la corriente de irrupción

Si alguna vez has diseñado una fuente de alimentación con un gran tapón electrolítico en la entrada, sabrás que es agradable «hacer ruido» al accionar el interruptor, o lo mucho menos satisfactorio que es ver un fusible fundido o un rectificador de puente muerto. La corriente de entrada está haciendo lo suyo: una sobretensión masiva que se produce cuando golpeas un condensador descargado contra una fuente de tensión prácticamente sin impedancia.

Esto es lo que está pasando. En el momento exacto en que cierras el interruptor, la tapa descargada luce eléctricamente idéntica a la de un cortocircuito. Lo único que limita la corriente es la resistencia que haya en el camino: la impedancia de la fuente, unos pocos millones de ohmios de cable y cualquier cosa que hayas agregado deliberadamente. Tomemos como ejemplo un suministro offline típico con un condensador a granel de 330 µF colocado detrás de un puente rectificador. Conéctelo a una red de 230 V CA (pico de 325 V) y podrá ver fácilmente 100 A o más durante unos pocos milisegundos. Eso es suficiente para soldar los contactos de los relés, estropear los disyuntores o sobrecargar los semiconductores más allá de lo que estaban diseñados.

La solución que la mayoría de nosotros buscamos primero es un termistor NTC (es decir, un coeficiente de temperatura negativo para cualquiera que lleve la cuenta) conectado en serie con la entrada de CA. Cuando hace frío, actúa como una resistencia moderadamente alta que amortigua las sobretensiones. Luego, a medida que la corriente fluye a través de él, el termistor se calienta y su resistencia cae a un valor «caliente» mucho más bajo. Esto hace que la pérdida de energía en estado estacionario sea razonable. El truco está en dimensionarlo correctamente, y ahí es donde las cosas se ponen interesantes.

Relaciones clave

Cuando se carga un condensador descargado a través de una resistencia en serie a partir de una tensión máxima$V_{pk}$equivalente a corriente continua, la corriente de entrada máxima se calcula de la siguiente manera:

En este caso, el$R_{cold}$es la resistencia del NTC a temperatura ambiente, normalmente especificada a 25 °C. Esto representa el peor de los casos: la potencia se aplica justo en el pico de la forma de onda de la corriente alterna con el condensador completamente vacío.

La constante de tiempo de este circuito de carga RC es:

Esto indica la rapidez con la que se carga la tapa y, lo que es más importante para nuestros propósitos, cuánto tiempo tiene que permanecer la NTC absorbiendo energía antes de que la corriente se reduzca a un nivel razonable.

Pasemos ahora al cálculo de la energía. El termistor NTC tiene que absorber energía durante el evento de irrupción, y la cantidad es aproximadamente:

Si empiezas con un condensador completamente descargado con el número$V_{cap,0} = 0$, esto se simplifica bastante:Debo señalar que se trata de una especie de simplificación. Durante un evento de carga RC, la energía suministrada por la fuente se divide aproximadamente a la mitad: el condensador almacena la mitad y la resistencia disipa la otra mitad en forma de calor. Por lo tanto, el termistor termina absorbiendo aproximadamente 12 grados de energía. Este número debe permanecer absolutamente por debajo de la especificación de energía nominal máxima de un solo pulso del NTC. Si superas ese límite, te encontrarás con un termistor roto o uno que no se abre, lo que no es el tipo de emoción que deseas en tu fuente de alimentación.

Ejemplo resuelto: suministro fuera de línea de 230 VCA

Repasemos un ejercicio real de dimensionamiento para un escenario bastante común:

• Tensión de alimentación: 230 VAC RMS, lo que nos da el artículo 13§
• Capacitancia del filtro: $C = 330\,\mu\text{F}$- Corriente máxima de entrada objetivo: $I_{target} = 15\,\text{A}$(un límite razonable para la mayoría de los diseños)
• Resistencia al calor NTC: $R_{hot} = 0.5\,\Omega$(valor típico de las hojas de datos a temperatura de funcionamiento)

Paso 1: Determine la resistencia al frío requerida: Los valores NTC estándar no vienen en 21,7 Ω, por lo que debes elegir el valor estándar más cercano de 22 Ω a 25 °C. Paso 2: comprueba el pico de entrada real con el valor seleccionado: Eso está cómodamente por debajo de nuestro objetivo de 15 A, así que estamos listos. Un pequeño margen nunca hace daño a nadie. Paso 3: calcule la constante de tiempo: Básicamente, el episodio de irrupción termina en alrededor de$5\tau$, es decir, aproximadamente 36 milisegundos, es decir, aproximadamente dos ciclos principales completos. El termistor comienza a calentarse por sí solo durante este período de tiempo, pero la resistencia al frío es la que se encarga de limitar la corriente. Paso 4: Calcula la energía absorbida por el NTC: Necesitas un NTC con una potencia nominal de al menos 17,4 J de energía de un solo pulso. Algo como el Ametherm SL32 2R522 funcionaría aquí: es un dispositivo de 22 Ω con una potencia nominal de 2,2 A en estado estacionario y una energía máxima de 45 J. Mucho margen, que es exactamente lo que quieres. Paso 5: compruebe la disipación de energía en estado estacionario:

Supongamos que su suministro consume 2 A RMS a plena carga y todo eso fluye a través del NTC. La disipación de la resistencia en caliente funciona para:

Eso es manejable, pero no es nada: sin duda se reflejará en tus cálculos de eficiencia. Para los diseños de mayor potencia que superan los 200 W aproximadamente, la mayoría de los ingenieros optan por un limitador de entrada activo que utiliza un relé para eludir la NTC tras el arranque. Obtienes el límite de corriente cuando lo necesitas y, a continuación, lo cortocircuitas para que funcione normalmente.

Consideraciones prácticas de diseño

En el peor de los casos, la sincronización es más importante de lo que piensas: El peor escenario es cuando aplicas energía justo en el punto máximo de la onda de corriente alterna con un condensador completamente descargado. Pero hay algo que llama la atención: si tu producto se puede volver a encender rápidamente, es posible que el NTC aún esté caliente (lo que significa que tiene poca resistencia) debido al ciclo de encendido anterior. En ese estado, no limitará la próxima descarga eléctrica con la misma eficacia. Consulta la hoja de datos para ver el tiempo de enfriamiento; por lo general, es de 30 a 60 segundos. Si su aplicación necesita gestionar ciclos de alimentación rápidos, es mejor optar por una resistencia fija con un relé de derivación o, en su lugar, cambiar a un circuito integrado limitador activo. La reducción de potencia no es negociable: Las clasificaciones energéticas NTC que figuran en la hoja de datos se especifican a una temperatura ambiente de 25 °C. Si colocas el termistor en una carcasa cálida (por ejemplo, a 50 °C, lo que es bastante habitual), empezará con una resistencia más baja y acabará absorbiendo más energía por cada irrupción. Reduzca siempre la potencia. Por lo general, mi objetivo es obtener al menos un 30% de margen en la calificación energética como mínimo. Algunos diseños garantizan aún más si las condiciones térmicas son estrictas. Los condensadores múltiples complican las cosas: Si tu diseño tiene varios condensadores distribuidos en distintos raíles y se cargan todos al mismo tiempo durante el encendido, tendrás que sumar todas sus aportaciones energéticas individuales según el artículo 18. Ese total es lo que tiene que gestionar la NTC. Este es uno de esos detalles que es fácil pasar por alto si solo piensas en el límite de volumen principal. La colocación es sencilla pero fundamental: El NTC se conecta en serie con la entrada de línea de corriente alterna, antes que el rectificador puente. Colóquelo allí y limitará la corriente en ambos semiciclos durante la sobrecarga de carga inicial. Colócalo en cualquier otro lugar y es probable que no estés recibiendo la protección que crees que tienes.

Pruébalo

En lugar de hacer estos cálculos a mano cada vez que estés especificando una nueva fuente de alimentación (y seamos sinceros, a nadie le gusta eso), puedes abrir la calculadora del limitador de corriente de entrada (NTC) y simplemente conectar la tensión de alimentación, la capacitancia, la corriente de entrada objetivo y la resistencia en caliente de la NTC. La calculadora muestra instantáneamente la resistencia al frío requerida, la corriente máxima real, la constante de tiempo y la energía absorbida. Le brinda todo lo que necesita para elegir el termistor correcto en el primer intento, lo que supera a la alternativa de pedir tres piezas diferentes y probarlas todas.