커패시터 돌입을 위한 NTC 서미스터 크기 조정

돌입 전류 문제

입력에 큰 전해 캡이 있는 전원 공급 장치를 설계한 적이 있다면 스위치를 돌릴 때 “쿵쾅” 하는 만족감을 느끼거나 퓨즈나 데드 브리지 정류기가 끊어지는 것을 보면 훨씬 덜 만족스러워한다는 것을 아실 것입니다.이것이 바로 돌입 전류가 제 역할을 하는 것입니다. 즉, 임피던스가 전혀 없는 상태에서 방전된 커패시터를 전압원에 부딪히면 엄청난 파동이 발생합니다.

무슨 일이 벌어지고 있는지는 다음과 같습니다.스위치를 닫는 순간 방전된 캡은 전기적으로 데드 쇼트와 똑같아 보입니다.전류를 제한하는 유일한 것은 경로에 존재하는 저항입니다. 소스 임피던스, 아마도 몇 밀리옴의 전선 등 의도적으로 추가한 모든 것이죠.브리지 정류기 뒤에 330µF 벌크 커패시터를 장착한 일반적인 오프라인 전원 공급 장치를 예로 들어 보겠습니다.이를 230VAC 메인 (325V 피크) 에 연결하면 몇 밀리초 동안 100A 이상을 쉽게 볼 수 있습니다.이 정도면 릴레이 접점을 서로 용접하거나, 회로 차단기를 불어 넣거나, 원래 사용하던 수준 이상으로 반도체에 스트레스를 주기에 충분합니다.

대부분의 사람들이 가장 먼저 찾는 문제는 NTC 서미스터 (점수를 기록하는 사람이라면 누구나 사용할 수 있는 음의 온도 계수) 를 AC 입력과 직렬로 연결하는 것입니다.날씨가 추울 때는 적당히 높은 저항처럼 작용하여 서지를 막아줍니다.그런 다음 전류가 흐르면 서미스터가 스스로 가열되고 저항은 훨씬 낮은 “고온” 값으로 떨어집니다.이를 통해 정상 상태의 전력 손실을 합리적으로 유지할 수 있습니다.비결은 크기를 적절하게 정하는 것인데, 바로 이 점이 흥미로워집니다.

주요 관계

DC에 상응하는 피크 전압$V_{pk}$에서 직렬 저항을 통해 방전된 커패시터를 충전할 때 피크 돌입 전류는 다음과 같이 작동합니다.

여기서$R_{cold}$은 실온에서의 NTC 저항으로 보통 25°C로 지정되며, 이는 절대 최악의 경우를 나타냅니다. 커패시터가 완전히 방전된 상태에서 AC 파형의 피크에 바로 전력이 공급되는 경우입니다.

이 RC 충전 회로의 시정수는 다음과 같습니다.

이것은 상한선이 얼마나 빨리 충전되는지를 말해줍니다. 그리고 더 중요한 것은 전류가 적당한 수준으로 떨어지기 전에 NTC가 에너지를 흡수하기 위해 얼마나 오래 기다려야 하는지를 말해줍니다.

이제 에너지 계산을 해보겠습니다.NTC 서미스터는 돌입 시 에너지를 흡수해야 하는데, 그 양은 대략 다음과 같습니다.

$V_{cap,0} = 0$등급의 완전 방전된 커패시터로 시작하는 경우 다음과 같이 매우 간단합니다.제가 말씀드리고 싶은 것은 이것이 약간 단순화되었다는 것입니다.RC 충전이 진행되는 동안 소스에서 전달되는 에너지는 대략 절반으로 쪼개집니다. 커패시터는 절반을 저장하고 저항기는 나머지 절반을 열로 소산합니다.따라서 서미스터는 결국 약$\frac{1}{2} C V_{pk}^{2}$상당의 에너지를 흡수하게 됩니다.이 수치는 반드시 NTC의 최대 정격 단일 펄스 에너지 사양보다 낮아야 합니다.이 한계를 넘어서면 서미스터에 금이 가거나 열리지 않는 서미스터가 나타나게 되는데, 이는 전원 공급 장치에서 바라던 그런 자극이 아닙니다.

실제 사례: 230VAC 오프라인 전원

아주 일반적인 시나리오에 대한 실제 크기 조정 연습을 살펴보겠습니다.

• 공급 전압: 230 VAC RMS, 이는$V_{pk} = 230 \times \sqrt{2} \approx 325\,\text{V}$을 제공합니다.
  • 필터 커패시턴스: $C = 330\,\mu\text{F}$- 목표 피크 돌입 전류: $I_{target} = 15\,\text{A}$(대부분의 설계에 적합한 제한)
  • NTC 고온 저항: $R_{hot} = 0.5\,\Omega$(작동 온도 시 데이터시트의 일반적인 값)
  1단계 — 필요한 내한성 파악:
  $$R_{cold} = \frac{V_{pk}}{I_{target}} = \frac{325}{15} \approx 21.7\,\Omega$$
  표준 NTC 값은 21.7Ω 단위가 아니므로 25°C에서 가장 가까운 표준값인 22Ω 값을 선택해야 합니다. 2단계 — 선택한 값으로 실제 피크 유입량을 다시 확인하십시오.
  $$I_{peak} = \frac{325}{22} = 14.8\,\text{A}$$
  15A 목표보다 훨씬 낮기 때문에 괜찮습니다.약간의 마진은 누구에게도 해를 끼치지 않습니다. 3단계 — 시상수 계산:
  $$\tau = 22 \times 330 \times 10^{-6} = 7.26\,\text{ms}$$
  돌입 이벤트는 기본적으로 약$5\tau$, 즉 약 36밀리초 이내에 종료됩니다. 즉, 전체 메인 사이클이 두 번 정도 걸립니다.이 시간 동안 서미스터는 스스로 가열되기 시작하지만 전류 제한에 큰 부담을 주는 것은 저온 저항입니다. 4단계 — NTC가 흡수하는 에너지 계산:
  $$E_{NTC} = \frac{1}{2} \times 330 \times 10^{-6} \times 325^{2} \approx 17.4\,\text{J}$$
  최소 17.4J의 단일 펄스 에너지에 대한 NTC가 필요합니다.여기서는 Ametherm SL32 2R522 같은 제품도 사용할 수 있습니다. 이는 2.2A의 정상 상태 전류와 45J의 최대 에너지를 제공하는 22Ω 장치입니다.충분한 마진이 바로 여러분이 원하는 것입니다. 5단계 — 정상 상태의 전력 손실 확인:

  전원 공급 장치가 최대 부하 상태에서 2A RMS를 끌어당기고 이 모든 것이 NTC를 통해 흐른다고 가정해 보겠습니다.고온 저항 손실은 다음과 같이 작용합니다.

  $$P_{hot} = I_{rms}^{2} \times R_{hot} = 2^{2} \times 0.5 = 2\,\text{W}$$
  관리할 수 있지만 아무것도 아닌 것은 아닙니다. 효율성 계산에 분명히 나타날 것입니다.200W 이상의 고전력 설계의 경우 대부분의 엔지니어는 시동 후 릴레이를 사용하여 NTC를 우회하는 액티브 돌입 제한기로 전환합니다.필요할 때 전류 제한을 설정한 다음 정상 작동을 위해 단락시키면 됩니다.

  실제 설계 고려 사항

  최악의 경우 타이밍이 생각보다 중요합니다. 최악의 시나리오는 완전히 방전된 커패시터를 사용하여 AC 파형의 피크에 바로 전력을 공급하는 경우입니다.하지만 여기서 눈길을 끄는 것이 있습니다. 제품의 전원을 빠르게 순환할 수 있다면 NTC는 이전 전원 공급 주기보다 여전히 따뜻할 수 있습니다 (즉, 저항이 낮을 수 있음).이 상태에서는 다음 유입을 거의 효과적으로 제한할 수 없습니다.데이터시트에서 쿨다운 시간을 확인하세요. 보통 30~60초입니다.애플리케이션에서 빠른 전력 순환을 처리해야 하는 경우 바이패스 릴레이가 있는 고정 저항기를 사용하거나 대신 액티브 리미터 IC로 전환하는 것이 좋습니다. 등급 감소는 타협의 대상이 아닙니다. 데이터시트의 NTC 에너지 등급은 주변 온도 25°C로 지정되어 있습니다.서미스터를 따뜻한 인클로저 (예: 50°C) 에 꽂으면 낮은 저항에서 시작하여 돌입 상황당 더 많은 에너지를 흡수하게 됩니다.항상 속도를 낮추세요.저는 보통 에너지 등급에서 최소 30% 의 마진을 목표로 합니다.일부 설계는 열 조건이 빠듯할 경우 더 높은 품질을 보증합니다. 여러 커패시터는 상황을 복잡하게 만듭니다. 설계에 전원을 켤 때 동시에 충전되는 여러 레일에 여러 커패시터가 있는 경우, 각 커패시터의 개별$\frac{1}{2}CV^{2}$에너지 기여도를 모두 합산해야 합니다.이 총액은 NTC가 처리해야 하는 금액입니다.이는 메인 벌크 캡만 생각한다면 놓치기 쉬운 세부 사항 중 하나입니다. 배치는 간단하지만 매우 중요합니다. NTC는 브리지 정류기 이전에 AC 라인 입력과 직렬로 연결됩니다.그 위치에 설치하면 초기 충전 서지 동안 양쪽 반 사이클 모두에서 전류가 제한됩니다.다른 곳에 설치하면 생각했던 보호 기능을 받지 못할 수도 있습니다.

  사용해 보세요

  솔직히 말해서 아무도 새 전원 공급 장치를 사양할 때마다 이러한 계산을 손으로 반복하는 대신 돌입 전류 제한기 (NTC) 계산기를 열어 공급 전압, 커패시턴스, 목표 돌입 전류 및 NTC의 고온 저항을 꽂기만 하면 됩니다.계산기는 필요한 내한성, 실제 피크 전류, 시간 상수 및 흡수 에너지를 즉시 출력합니다.세 가지 부품을 주문하여 모두 테스트하는 것보다 첫 번째 테스트에서 적합한 서미스터를 선택하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다.