Prąd rozruchowy zasilacza – co to jest i jak sobie z nim poradzić?
| Prezentacje firmowe OptoelektronikaPrawie każdy spotkał się z sytuacją, że gdy wkładał wtyczkę od zasilacza lub ładowarki telefonu do gniazdka sieciowego to zaobserwował krótkotrwałe iskrzenie. Osoby które mają do czynienia z instalacją urządzeń elektronicznych mogły spotkać się z sytuacją, że włączenie kilku urządzeń na raz (np. opraw oświetleniowych LED podłączonych do jednego zabezpieczenia) powodowało aktywację wyłącznika nadprądowego, mimo że teoretycznie maksymalny prąd nie został przekroczony. Dlaczego tak się dzieje?
Za powstawanie powyższych zjawisk odpowiada prąd rozruchowy. W specyfikacji wielu urządzeniach elektronicznych można spotkać się z określeniem prąd rozruchowy, prąd udarowy, prąd startowy (lub z języka angielskiego "inrush current"). Wartość tego prądu jest różna w zależności od urządzenia i wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt amperów. Na pierwszy rzut oka to bardzo dużo, dlatego wiele osób zastanawia się, czy dana instalacja wytrzyma takie obciążenie i nie spowoduje to aktywacje zabezpieczeń przeciążeniowych. Czy te obawy są słuszne? Czy można ten prąd jakość ograniczyć? W tym artykule postaramy się na te pytania odpowiedzieć.
Prąd rozruchowy, jak sama nazwa nam sugeruje, jest to wartość pojawiająca się przy włączaniu urządzenia. Jest to chwilowy (trwający do kilku milisekund) wysoki prąd wejściowy pobierany przez urządzenie elektryczne przy jego włączaniu. Jego powstawanie może wynikać z pojemnościowej (np. zasilacze impulsowe) lub indukcyjnej (np. transformatory, silniki indukcyjne) charakterystyki odbiornika.
Ogranicznik prądu rozruchowego MEAN WELL ICL-28L
W zasilaczach impulsowych powstaje on w skutek ładowania wejściowych kondensatorów elektrolitycznych (elementów gromadzących ładunek elektryczny). Po włączeniu urządzenia do sieci rozładowane kondensatory w zasilaczach mają niską impedancję, która umożliwia przepływ dużych prądów do obwodu podczas ładowania (od zera do ich wartości maksymalnych). Uproszczając, w czasie ładowania kondensatorów urządzenia widziane jest przez sieć jako element powodujący zwarcie. Efekt ten jest pojawia się za każdym razem przy podłączaniu zasilacza i jest prawie niezauważalny, gdy odłączymy zasilacz i od razu włączymy go ponownie (dzieje się tak, gdyż kondensatory są już częściowo naładowane). Prąd rozruchowy zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia sieciowego, a czas jego trwania wydłuża się wraz ze spadkiem napięcia i zależy od pojemności wejściowych kondensatorów elektrolitycznych.
Prąd rozruchowy jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż iskrzenie które pojawia się przy włączaniu urządzeń może powodować wypalanie się styków (we włącznikach, bezpiecznikach, stycznikach) oraz może spowodować tzw. sklejanie się styków. Takie zjawisko może skutkować zmianą charakterystyki prądowej zabezpieczeń lub grzaniem się urządzeń.
Jak wspomniano wcześniej, impuls prądu pojawiający się w czasie załączenia zasilacza może spowodować zadziałanie zabezpieczeń przeciwzwarciowych lub przeciążeniowych po stronie sieci. Prąd rozruchowy trwa na tyle krótko, że jest praktycznie niezauważalny przez użytkownika, a zmierzenie go na multimetrze może być kłopotliwe, gdyż trwa on przez kilka milisekund (np. 0,01 s). Aktywacja zabezpieczeń wywołana tym zjawiskiem może niesłusznie nam sugerować awarię i prowadzić do błędnego podejrzenia, że zasilacz uległ uszkodzeniu. Większość zasilaczy nie jest wyposażony w mechanizmy ograniczające prąd startowy, a posiadają jedynie układy nieznacznie ograniczające wielkość tego prądu (w postaci termistorów lub innych układów opartych na tranzystorach).
Jak więc ograniczyć prąd rozruchowy zasilacza?
Aby uniknąć aktywacji zabezpieczenia przy podłączania kilku urządzeń do jednego obwodu należy załączać je po kolei. Można to robić manualnie lub zastosować układy opóźniające włączanie poszczególne zasilacze. Metoda ta jest jednak problematyczna szczególnie w aplikacjach, gdzie potrzebujemy załączyć zasilacze w jednym czasie (np. włączenie oświetlenia).
Można również zastosować wyłącznik nadprądowy z dłuższym czasem zwłoki. W instalacjach domowych stosuje się najczęściej bezpieczniki o charakterystyce B (B10, B16). W przypadku odbiorników o większym prądzie rozruchowym można zastosować te z charakterystyką C lub D. Niestety może się zdarzyć, że nie będziemy mieć możliwości takiej ingerencji w instalacje elektryczną, a zastosowane zabezpieczenie może być niewystraczające w przypadku podłączenia dodatkowych urządzeń do obwodu. Wydłużenie czasu zwłoki bezpiecznika może spowodować, że instalacja będzie mniej wrażliwa na krótkotrwałe anomalie, co może spowodować uszkodzenie niektórych urządzeń elektronicznych.
Skuteczną i prostą metodą jest zastosowanie ogranicznika prądu rozruchowego. Ogranicznik przepięć jest to zewnętrzne urządzenia, które montuje się w obwodzie zasilania przed urządzeniami o dużym prądzie rozruchowym (rys. 1).
Jego zasada działania polega na zastosowaniu obejścia przekaźnikowego z wykorzystaniem rezystorów ceramicznych większej mocy, przez które przepływa wysoki prąd rozruchu (rys. 2). Po jego ustąpieniu przekaźnik przełącza obwód i prąd płynie bezpośrednio z pominięciem rezystorów.
Przykładem takich ograniczników jest seria ICL firmy MEAN WELL, która oferuje modele o maksymalnej wartości prądu 16 i 28 A w dwóch wersja wykonania – na szynę DIN i do montażu na powierzchnia płaskich. Warto zaznaczyć, że to rozwiązanie jest nie jest zwykłym termistorem NTC i dodatkowo ma wbudowane zabezpieczenie termiczne chroniące układ przed uszkodzeniem. Stosując taki ogranicznik można bez obaw podłączyć większą liczbę urządzeń.
W przypadku zasilaczy impulsowych maksymalną liczbę urządzeń determinuje maksymalne obciążenie pojemnościowe i maksymalny możliwy prąd znamionowy. Decydujące znaczenie ma jednak prąd znamionowy, ponieważ ograniczniki prądu rozruchowego mogą poradzić sobie z obciążeniami pojemnościowymi do 2500 μF (w modelu ICL-16) i do 6000 μF (w modelu ICL-28). Pojemność wejściowa zasilaczy jest zależy od wartości kondensatorów wejściowych. I tak na przykład dla zasilacza LPV-100-12 pojemność ta wynosi 100 μF co pozwala podłączyć 25 urządzeń do ogranicznika ICL-16, jednak uwzględniając wejściowy prąd znamionowy wynoszący 1,2 A, maksymalna liczba urządzeń wynosić będzie 13 (16 A / 1,2 A). Producent zaleca otrzymany wynik przemnożyć przez współczynnik 0,9 – co da nam 11 urządzeń i jest bezpieczny margines dla podłączanych zasilaczy. Niestety większość producentów nie podaje tych parametrów w specyfikacji, dlatego w takim przypadku wartość prądu trzeba zmierzyć, a pojemność odczytać z kondensatora. Firma MEAN WELL dla swoich produktów podaje wartości kondensatorów wejściowych w raporcie z testów (dostępnych na stronie www.elmark. com.pl lub www.meanwell.com).
Wojciech Gościniak
Emark Automatyka
tel. 22 773 79 37
ul. Bukowińska 22 lok. 1B
02-703 Warszawa
elmark@elmark.com.pl
www.elmark.com.pl
