その他 - 突入電流防止回路の設計方法のソースを表示

== 概要 ==
ここでは、突入電流防止回路の設計方法について記載する。<br>
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突入電流防止回路の設計では、突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)の最小抵抗値、耐量サージエネルギー、定格電流を求める必要がある。<br>
設計方法を記載するにあたり、以下のパラメータを使用する。<br>
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* ACライン電圧VINの実行値VINRMS
*: 100[V]
* ACライン電圧VINの変動率
*: ±10[%]
* 出力電力POUT
*: 200[W]
* 電源効率η
*: 90[%]
* 力率cosφ
*: 0.8
* 入力電解コンデンサCINの容量値
*: 330[uF]
* 周囲温度TA
*: 10[℃]～35[℃]
* 突入電流IRUSHの仕様
*: 30[A]
[[ファイル:ErectricCircuit InrushCurrentPrevention 1.jpg|フレームなし|中央]]
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== 設計手順 1 : 突入電流の仕様から突入電流防止素子の最小抵抗値を求める ==
突入電流防止素子の最小抵抗値RMINは、ACライン電圧VINのピーク値VPEAK、突入電流IRUSHの仕様によって決まる。<br>
一般的には、20[A]～40[A]が突入電流の仕様となる。<br>
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まず、ACライン電圧vINのピーク値VPEAKを求める。<br>
ACライン電圧VINの実行値VINRMSが100[V]、その変動は10[%]なので、ACライン電圧VINのピーク値VPEAKは以下の値となる。<br>
<math>V_{PEAK} = (V_{INRMS} \times 1.1) \times \sqrt{2} = 155.6 \mbox {[V]}</math><br>
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突入電流I<sub>RUSH</sub>の仕様が30[A]なので、突入電流防止素子の最小抵抗値R<sub>MIN</sub>は以下の値となる。<br>
突入電流防止素子に温度ヒューズ抵抗やセメント抵抗を用いた場合は、下式で求めた値が最小抵抗値R<sub>MIN</sub>となる。<br>
<math>R_{MIN} = \frac{V_{PEAK}}{I_{RUSH}} = 5.19 [\Omega]</math><br>
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しかし、サーミスタは温度によって抵抗値が変化する。<br>
周囲温度TAの最大値が35[℃]なので、35[℃]の時の最小抵抗値がRMINである必要がある。<br>
例えば、35[℃]の時の抵抗値が25[℃]の抵抗値と比較して0.8倍に低下すると仮定すると、25[℃]の時において必要な最小抵抗値RMIN(25[℃])は以下の値となる。<br>
<math>R_{MIN} (25 \mbox {[ ℃ ]}) = R_{MIN} \times \frac{1}{0.8} = 6.48 [\Omega]</math><br>
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== 設計手順 2 : 電源投入時のサージエネルギーを求める ==
次に電源投入時のサージエネルギーEを求める。<br>
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電源投入時において、突入電流防止素子にかかるサージエネルギーEは以下の値となる。<br>
下式より、サージエネルギーEは抵抗値依存症がない。また、このサージエネルギーEに耐える素子を選定する必要がある。<br>
<math>
\begin{align}
E &= \frac{1}{2} C_{IN} V_{PEAK}^2 \\
  &= C_{IN}(V_{AC} \times 1.1)^2 \\
  &= 3.993 \mbox {[J]}
\end{align}
</math><br>
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突入電流防止素子(サーミスタ・温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗)のデータシートには、下図のようなサージエネルギー耐量のグラフ(耐ラッシュ特性)がある。<br>
また、表などに瞬時エネルギー耐量が記載されている。<br>
[[ファイル:ErectricCircuit InrushCurrentPrevention 2.jpg|フレームなし|中央]]
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エネルギー耐量のグラフが記載されている場合には、グラフの値を超えないように選定する。<br>
瞬時エネルギー耐量が記載されている場合には、サージエネルギーEより大きな素子を選定する。<br>
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== 設計手順 3 : 通常使用時に流れる電流の最大値を求める ==
ACライン電圧vINの実行値VINRMSが100V、ACライン電圧vINの変動率が±10%、出力電力POUTが200W、電源効率ηが90%、力率cosφが0.8なので、通常使用時に流れる電流の最大値IINRMSは以下の値となります。
IINRMS=POUTη×cosφ×0.9VINRMS=3.08[A]

上式において、VINRMSについている0.9ですが、ACライン電圧vINの実行値VINRMSが最小値となるときに、通常使用時に流れる電流が最大値IINRMSとなります。そのため、ACライン電圧vINの実行値VINRMSに対して変動10%を引いた値としています。

安全設計する場合には、上式で求めた値に対してディレーティングを考慮します。ディレーティングを80%とすると、突入電流防止回路に必要な定格電流IRATEDは以下の値となります。
IRATED=IINRMS0.8=3.86[A]
突入電流防止回路の種類には「突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)のみを使用したパッシブICL」と「突入防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)に並列にスイッチング素子(リレー/トライアック/サイリスタ)を使用したアクティブICL」があります。
突入電流防止回路の種類
「突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)のみを使用したパッシブICL」の場合、通常動作時は、突入電流防止素子に電流がながれていますので、突入電流防止素子が必要な定格電流IRATEDを満たす必要があります。

一方、「突入防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)に並列にスイッチング素子(リレー/トライアック/サイリスタ)を使用したアクティブICL」の場合、通常動作時は、スイッチング素子に電流がながれていますので、スイッチング素子が必要な定格電流IRATEDを満たす必要があります。

補足
突入電流防止素子にサーミスタを用いた場合、通常使用時に流れる電流の最大値に対して、余裕のある定格電流のものを選定してはいけません。余裕のありすぎるものを使用すると、温度上昇が少なくて抵抗値が下がらず、電源への供給不足となる場合があります。
突入電流の仕様がない場合、電源で使用される素子(ブリッジダイオードなど)の定格電流を突入電流の仕様とします。
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[[カテゴリ:電子回路]]