Одним из параметров, который определяет надежность изделия является его ремонтопригодность и скорость восстановления работоспособности. Однако учитывая тенденцию миниатюризации изделий, такая простая операция как замена вышедшего из строя обычного плавкого предохранителя влечет за собой достаточно серьезные затраты ресурсов и времени, а в случае применения SMD предохранителя, замена «в полевых» условиях становится вообще невозможной.
Решить эту проблему можно путем перехода с плавкого предохранителя на самовосстанавливающийся.
Самовосстанавливающийся предохранитель представляет собой полимерный терморезистор с положительным температурным коэффициентом. Материал предохранителя - это проводящий электрический ток полимер с примесью технического углерода. Концентрация углерода такова, что в холодном состоянии полимер кристаллизован, а пространство между кристаллами заполнено частицами углерода, удельное сопротивление материала низкое. При повышении температуры полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. Углеродные цепочки начинают разрываться, что вызывает быстрый рост удельного сопротивления.
При увеличении электрического тока, протекающего через полимер, происходит его разогрев и удельное сопротивление увеличивается настолько, что материал становится непроводящим. Таким образом возможно ограничение протекающего через него тока, и как следствие защита внешней цепи. После остывания происходит обратный процесс кристаллизации и полимер снова становится проводником.
Температурная зависимость удельного сопротивления полимера показана на рисунке 2.
Следует учитывать, что основным фактором, влияющим на удельное сопротивление материала является всё таки его температура, а не протекающий по нему ток. На кривой отмечено два характерных диапазона: «Нормальный диапазон» при котором изделие является обычным проводником (температура материала ниже 80° С) и «Диапазон срабатывания», когда температура достигает некоего граничного значения и сопротивление начинает быстро возрастать, изменяясь почти по экспоненциальному закону. После остывания изделия, его сопротивление восстанавливается.
Чтобы разогреть материал до температуры срабатывания требуется некоторое время, поэтому ограничение тока в цепи происходит не мгновенно. При малых токах, близких к пороговому, срабатывание может занять несколько секунд, при токах близких к максимально допустимому, доли секунды.
На время срабатывания также влияет температура окружающей среды. Чтобы разогреть материал до состояния срабатывания от более низкой температуры окружающей среды необходимо затратить больше энергии чем от более высокой, а значит, и процесс в этом случае займёт больше времени. Поэтому время срабатывания, максимальный гарантированный ток нормальной работы (ток удержания, Ihold) и гарантированный ток срабатывания (Itrip) зависят от температуры окружающей среды.
В нижней части графика, рисунок 3, находится номинальная рабочая область прибора, область низкого сопротивления. В верхней части графика находится область гарантированного срабатывания. В средней части графика располагается нерабочая область, где соблюдение параметров никак не нормируется и не гарантируется. При расчётах и эксплуатации в широком диапазоне температур окружающей среды схем с использованием самовосстанавливающихся предохранителей это должно учитываться и безусловно соблюдаться.
Основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей:
- U max - максимальное напряжение, которое может выдержать изделие без разрушения или повреждения при протекании тока через него не более Imax.
- I max - максимальный ток, протекающий через изделие, при котором не происходит его разрушения или повреждения при приложенном к нему напряжении не более Umax.
- I hold - максимальный ток, протекающий через изделие, при котором не происходит его отключения при температуре окружающей среды +20°С (ток удержания).
- I trip - минимальный ток, протекающий через изделие, при котором происходит его отключение при температуре окружающей среды +20°С (ток срабатывания).
- T trip - Время срабатывания изделия, характеризует время перехода изделия в непроводящее состояние и имеет сильную зависимость от величины протекающего по нему тока и температуры окружающей среды. Чем больше ток и температура, тем быстрее происходит переход. Диапазон времени срабатывания начинается от единиц миллисекунд.
- Pd - Мощность, рассеиваемая изделием в отключённом (закрытом и нагретом) состоянии при температуре окружающей среды +20°С.
- Рабочий диапазон температур, °C - как правило, составляет -40°С…+85°C. В этом диапазоне изделие не достигает температуры перехода.
При выборе предохранителя, который вы будете использовать в своих решениях, обратите внимание на максимально допустимый рабочий ток. Иногда за время перехода в закрытое состояние прибор «успевает» полностью разрушиться. Если высока вероятность превышения максимального тока, то стоит применить обычный плавкий предохранитель, либо ограничить предельный ток (ток короткого замыкания) с помощью дополнительного резистора.
Ещё один очень важный параметр — максимальное рабочее напряжение. Когда прибор находится в нормальном режиме, напряжение на его контактах очень мало. Но при переходе в состояние срабатывания оно может резко возрасти. В настоящее время имеются серии самовосстанавливающихся предохранителей, рассчитанные на высокое напряжение, но они при этом имеющие небольшие рабочие токи.
Применение самовосстанавливающихся предохранителей в сочетании с более быстродействующими устройствами защиты позволяет полностью реализовать требования защиты. С успехом такое сочетание применяют для защиты периферийных устройств компьютеров, в телекоммуникации, для защиты АТС, кроссов, сетевого оборудования от всплесков тока, вызванных попаданием линейного напряжения и молнии. Кроме того, самовосстанавливающиеся предохранители активно используются в компьютерах и игровых приставках для защиты портов (например, USB, HDMI), а также аккумуляторных батарей в портативной технике.
Ниже приведены примеры построения схем с применением самовосстанавливающегося предохранителя.
Резюме
Везде, где есть источник питания и нагрузка, возможно применять самовосстанавливающиеся предохранители. Тот факт, что эти предохранители возвращаются в исходное состояние автоматически, выделяет их отдельно, как класс устройств защиты цепи. Грамотные разработчики знают об особенностях их применения и эксплуатации и учитывают их.
Поскольку самовосстанавливающиеся предохранители не нуждаются в обслуживании, их можно использовать в качестве устройств защиты встроенных схем. Практически во всех устройствах, от бытового применения, в малом и среднем бизнесе, до применения на крупных предприятиях, везде, где требуется минимальное вмешательство человека, «находят себя» эти изделия.
К преимуществам относятся:
- Низкая стоимость.
- Экономия пространства (в том числе на печатной плате).
- Отсутствие необходимости в обслуживании.
К недостаткам можно отнести:
Необходимость обеспечить соблюдение всех режимов работы, в том числе в состоянии срабатывания (состоянии защиты).
Самовосстанавливающийся предохранитель - инерционный прибор, он не подходит для защиты схем чувствительных к коротким броскам тока. В таких случаях его необходимо применять совместно с другими элементами защиты - супрессорами, варисторами, разрядниками, стабилитронами, но необходимость ограничения максимального тока в цепи остаётся.
Ток срабатывания самовосстанавливающегося предохранителя зависит от температуры окружающей среды. Чем она выше, тем он меньше. При необходимости эксплуатации в расширенном диапазоне температур окружающей среды следует учитывать вероятность ложных срабатываний предохранителя.
Самовосстанавливающиеся предохранители представлены в ассортименте группы компаний «Промэлектроника» продукцией таких ведущих фирм, как Littelfuse и Bourns.
Обозначение серий самовосстанавливающихся предохранителей
| : | |
MF-LSMF 185/33X-2 LSMF - серия для поверхностного монтажа 185 - ток удержания, mA (от 185 до 400) 33 - максимальное напряжение, V (6, 12, 14 или 33) X - дизайн Multifuse® freeXpansion ™ 2 - упаковка Tape&Reel |
MF-R110 - 0 - 99 MF - самовосстанавливающийся предохранитель 110 - ток удержания, 11 A (от 0,05 A до 11,0 A) 0 - упаковка в ленту и катушку (при отсутствии - упаковано в соответствии со стандартом EIA 481-1) 99 - cоответствие RoHS (требования по содержанию свинца). |
250 R 120 - R Z R 250 - максимальное напряжение, V R - серия для монтажа в отверстия (ТНТ) 120 - ток удержания, mA Z - количество в единице упаковки (F=200 шт., M=1000 шт., U=500 шт., Z=1200 шт.) R - упаковка в ленту и катушку (при отсутствии - упаковано в соответствии со стандартом EIA 481-1) |
1210 L 380 /12 TH Y R -A 1210 - типоразмер L - серия для поверхностного монтажа 380 - ток удержания, mA 12 - максимальное напряжение, V TH - низкий профиль Y - количество в единице упаковки (K=10000 шт., Y=4000 шт., W=3000 шт., P=2000 шт.) R - упаковка в ленту и катушку A - автомобильного применения (при отсутствии - стандартного применения) |
Внешний вид
Добрый день читатели сайта Популярная электроника! Сегодня в этой рубрике я хотел бы подробнее поговорить о так называемых самовосстанавливающихся предохранителях, которые в последнее время широко используются в различной аппаратуре, бытовой технике, системах защиты электроприборов от перенапряжения и перегревания и прочих электронных устройствах.
Почему это так важно для домашнего электромастера? Поясню. Дело в том, что при ремонте люстры, выключателя или диммера , внутри электрической цепи этих приборов вполне может обнаружиться самовосстанавливающийся предохранитель, который сработал в силу каких-то условий и разомкнул цепь. В результате цепь люстры или светорегулятора не прозванивается ни тестером, ни пробником и индикатором , и мы начинаем думать, что прибор вышел из строя и его надо менять. На самом деле все может оказаться проще и поломку можно будет устранить за несколько минут, не тратя при этом средства на покупку новой люстры или выключателя.
На самом деле самовосстанавливающийся предохранитель защищает устройство не от перенапряжения (резкого повышения электрического напряжения в бытовой сети), а от сильного скачка тока. Об этом можно также узнать и в блоге электрика (http://aprolex.by/blog.html). И эту функцию в принципе делают и обычные плавкие предохранители, но они не восстанавливаются после сработки, а просто перегорают.
В самовосстанавливающемся предохранителе при превышении номинального тока сильно возрастает его электрическое сопротивление , и ток в свою очередь практически прекращает течь. По истечению какого-то времени сопротивление предохранителя снова приходи в норму и прибор становится снова полностью работоспособным. Как правило, это несколько минут. Вот это время и стоит подождать, чтобы начать разбираться в причинах поломки.
Но такие предохранители не всегда спасают аппаратуру от выхода из строя. Скачок тока может быть настолько большим, что предохранитель не успевает сработать и следующие по цепи элементы самого прибора выходят из строя. Бывает так, что самовосстанавливающийся предохранитель все же срабатывает вовремя, но при этом сам перегорает. Это можно выяснить при помощи любого мультиметра, включенного в режим прозвонки цепи.
В этом случае ремонт прибора или аппаратуры заключается в замене перегоревшего самовосстанавливающегося предохранителя. Но чтобы его заменить именно на тот, который предусмотрен схемой прибора, необходимо установить технические параметры старого предохранителя. Они, как правило, указываются на его корпусе.
Основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей:
- Рабочее напряжение. Оно показывает, при каком напряжении в сети предохранитель может работать достаточно долгое время, не выходя из строя. Как правило, в прибор ставится предохранитель с немного большим рабочим напряжением, чем то, на которое рассчитан сам прибор.
- Номинальный рабочий ток. Это максимальное значение тока через предохранитель, при котором он нормально работает, не срабатывая (не размыкая цепи).
- Ток срабатывания. Это минимальный ток, при котором самовосстанавливающийся предохранитель сработает. Этот параметр очень важен, так как от него напрямую зависит надежность защиты прибора или аппаратуры. Если заменить на меньшее значение, предохранитель станет чаще срабатывать (давать ложные сработки), если на большее – он не сработает в нужный момент и аппаратура может выйти из строя.
- Максимальный ток , который может выдержать предохранитель, не выходя из строя.
- Рабочая температура.
- Максимальное и минимальное сопротивление. Первое значение указывает сопротивление предохранителя, когда он сработал, а второе – в нормальном состоянии.
- Скорость срабатывания. Чем меньше это время, тем лучше.
Как правило, на самом самовосстанавливающемся предохранителе указывается только рабочее напряжение, температура и ток срабатывания – это самые важные параметры. Остальные можно посмотреть в справочнике в Интернете.
Слышал про самовосстанавливающиеся предохранители, но не знал, с чем их едят. Уже в нескольких мультиметрах встречал их в токовой защите. Решил заказать десяток на пробу. Тем более не так-то и дорого.
Не буду нарушать традиций. Смотрим, в каком виде прислали.
Бумажный пакет, «пропупыренный» изнутри. Предохранители были в пакетике с замком.
Заказал немного, всего десять штук.
Этого более чем достаточно для проведения опытов.
Можете разглядеть более внимательно.
Можно сравнить с привычными размерами.
Чтобы не быть голословным, вот фото из моего обзора про мультиметр Pro"s Kit MT-1232.
Здесь он стоит вместо предохранителя на 400мА. Немного другая марка, но сути не меняет.
А это уже более известный прибор MASTECH MS8268.
А теперь немного теории. Она необходима. Постараюсь кратко, чтобы особо не напрягать. Кому нужны более глубинные знания – интернет вам в помощь.
Самовосстанавливающийся предохранитель - полимерное устройство с положительным температурным коэффициентом сопротивления, применяемое в защите электронной аппаратуры.
Принцип действия предохранителя основан на резком увеличении сопротивления при превышении порогового тока, протекающего через него. Сопротивление в сработавшем состоянии зависит от следующих факторов: типа используемого устройства, приложенного к нему напряжения U и мощности, рассеиваемой на устройстве. После отключения питания (отключения нагрузки, уменьшения напряжения и т. д.) по истечении некоторого времени вновь уменьшает своё внутреннее сопротивление - самовосстанавливается. Увеличение сопротивления сопровождается нагревом предохранителя примерно до 80 градусов по Цельсию.
Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель представляет собой матрицу из непроводящего ток полимера, смешанного с техническим углеродом. В холодном состоянии полимер кристаллизован, а пространство между кристаллами заполнено частицами углерода, образующими множество проводящих цепочек. Если через предохранитель начинает протекать слишком большой ток, он начинает нагреваться, и в какой-то момент времени полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. Из-за этого увеличения углеродные цепочки начинают разрываться, что вызывает рост сопротивления, и предохранитель нагревается еще быстрее. В конце концов сопротивление предохранителя увеличивается настолько, что он начинает заметно ограничивать протекающий ток, защищая таким образом внешнюю цепь. После устранения замыкания, когда протекающий ток снизится до исходного значения, предохранитель остывает и его сопротивление возвращается к начальному значению.
Такие предохранители часто применяются в бытовых ПЭВМ для защиты от перегрузок или КЗ в цепях USB-, FireWire-портов, и других интерфейсах с подводимым питанием.
С теорией закончу. Пора приступать к проведению экспериментов.
Первым делом решил измерить сопротивление предохранителей (температура окружающего воздуха 22,5˚С). Так как всё имеет своё сопротивление, измерил сначала без оных.
Это значение сопротивления буду вычитать.
Сопротивления предохранителей имели разброс. Поэтому сделал среднестатистическую выборку.
Это я сделал не от нечего делать. В некоторых схемах сопротивление предохранителей критично.
Можно сравнить с обычным предохранителем. Нашёл только один на 0,5А немного необычной формы.
Из этого можно сделать простой вывод. Самовосстанавливающийся предохранитель оказывает практически такое же влияние в схеме (в смысле вносимого в цепь сопротивления).
Теперь осталось проверить, при каком токе он всё же срабатывает.
Всё просто. Взял блок питания. Выставил на нём 9В. Перевёл в режим отсечки по току. Стал понемногу прибавлять.
Сработал предохранитель на токе свыше 1А (по паспорту 0,6А). Ток срабатывания точно поймать не смог. Блок питания перешёл в режим отсечки по напряжению и через секунду ток уменьшился.
Это при плавном увеличении тока. Я так полагаю, если нужно защитить схему от КЗ на токе 600мА, мне надо было заказывать на минимум в полтора раза меньший ток. Вот такая печаль.
И, наконец, самый важный в целях безопасности эксперимент. Хотелось узнать, как поведёт себя предохранитель при коротком замыкании в цепи (при резком увеличении тока). Не разорвёт ли его в клочья? Для этих целей я его тупо вставлю в розетку и посмотрю, как он себя поведёт.
Предохранитель припаял к сетевому шнуру, затем засунул в термоусадку, дабы предотвратить последствия от возможного разрушения.
Всё, что получилось, дополнительно засунул в пластиковую бутылку из-под лимонада (перестраховался). Вилку подключил к сети 220В. Результаты краш-теста можно посмотреть на видео.
Результаты меня вполне удовлетворили.
В конце дам табличку по предохранителям.
Это не совсем те, что у меня, но характеристики схожи.
Вот такие предохранители получил. Всё не так однозначно, как мне казалось, когда их заказывал. Предохранители имеют право на жизнь, но полноценно заменить привычные стекляшки с керамикой вряд ли смогут.
Один предохранитель поставил в мультиметр, которым мы чаще всего пользуемся на работе и в котором они частенько горели при малейшем превышении предельного тока.
Что ещё хотел сказать в конце. Номинал самовосстанавливающихся предохранителей каждый должен подобрать сам в соответствии с решаемыми задачами. Технически грамотному человеку это вовсе не сложно. Когда я заказывал предохранители, инфы на Муське про них совсем не было. У вас она теперь есть. Смотрите на таблицу, изучайте результаты экспериментов и заказывайте то, что считаете более подходящим под ваши задачи.
На этом ВСЁ!
Удачи! Планирую купить +116 Добавить в избранное Обзор понравился +153 +278
Да, есть такой хитроумный электронный компонент с очень длинным названием - самовосстанавливающийся предохранитель. Что это за «зверь» такой и как работает? Об этом и пойдёт речь.
Все знают обычный плавкий предохранитель. Устроен он просто и работает незаурядно. Принцип его работы основан на тепловом действии электрического тока.
Берётся тонкий медный провод, который выдерживает определённую силу тока, помещается в стеклянную или керамическую колбу, чтобы при срабатывании расплавленный металл не разбрызгивался в разные стороны. Иногда этот защитный элемент спасает при коротком замыкании в схеме, но вот беда, сам он «умирает» навсегда.
Для замены неисправного плавкого предохранителя требуется вскрывать корпус устройства, и заменять сгоревший предохранитель. Но производить такую операцию не всегда удобно, да и требуется она не всегда. Поэтому в таких случаях самовосстанавливающийся предохранитель является весьма логичной заменой плавкому предохранителю.
Самовосстанавливающиеся предохранители активно используются в компьютерах и игровых приставках для защиты портов (например, USB, HDMI), а также аккумуляторных батарей в портативной технике.
Итак, давайте разберёмся в том, как устроен самовосстанавливающийся предохранитель (сокращённо будем называть его СП ), а также каковы его основные параметры.
Самовосстанавливающийся предохранитель изготавливается из специального проводящего пластика. Этот пластик вещество особое. Он состоит из непроводящего кристаллического полимера и введёнными в него мельчайшими частицами технического углерода. Частицы технического углерода распределены в объёме полимера и свободно проводят электрический ток
.
Сам пластик формуют в тонкий лист и на плоскости напыляют токоведущие электроды. За счёт электродов удаётся распределить энергию по всей площади поверхности. К электродам крепят лепестковые или проволочные выводы, за счёт которых СП подключают в электрическую цепь.
Основная особенность проводящего пластика - это высокий нелинейный положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС ). Проще говоря, проводящий пластик проводит ток до тех пор, пока его температура не превысит определённый порог.
После этого сопротивление проводящего пластика резко увеличивается, что и приводит к разрыву электрической цепи. Это происходит потому, что при превышении температурного порога кристаллическая структура полимера трансформируется в аморфную, а цепочки технического углерода, по которым и проходил ток, разрушаются. Это приводит к резкому увеличению сопротивления.
Откуда же появляется нагрев, который приводит к изменению фазового состояния полимера? Повышение температуры полимера происходит потому, что при аварийном режиме через самовосстанавливающийся предохранитель начинает течь ток, который превышает номинальный (т. е. рабочий). При этом за счёт теплового действия тока температура материала предохранителя увеличивается. Это в свою очередь приводит к «срабатыванию» предохранителя.
Параметры самовосстанавливающихся предохранителей.
Для того чтобы грамотно подобрать самовосстанавливающийся предохранитель для конкретного устройства нужно знать его основные параметры. Рассмотрим их.
Максимальное рабочее напряжение (V max или U max , V). Напряжение, которое способен выдержать без разрушения самовосстанавливающийся предохранитель при протекании через него номинального тока. Например, для защиты USB порта подойдёт СП с максимальным рабочим напряжением 6 вольт.
Номинальный рабочий ток или ток удержания (I HOLD или I h , A). Ток, который может проводить через себя самовосстанавливающийся предохранитель без «срабатывания».
Минимальный ток срабатывания (I trip или I T , A). Минимальный ток через СП, при котором происходит переход от проводящего состояния к непроводящему. Иными словами это ток, при котором самовосстанавливающийся предохранитель «срабатывает» - размыкает цепь.
Минимальное и максимальное сопротивление (R min и R 1max , Ohms). Это сопротивление самовосстанавливающегося предохранителя. По-другому можно сказать, что это сопротивление СП в рабочем, проводящем состоянии. Параметр R min - это минимальное сопротивление СП, а R 1max - это сопротивление предохранителя спустя 1 час после последнего срабатывания. Оба параметра указываются для конкретной температуры, например для 23 0 C. R min и R 1max обычно указывается более просто, например, так: R = 0,5…1,17 (Ом).
На самом деле это очень важный параметр. Чем он меньше, тем лучше, так как предохранитель всегда включается последовательно с потребителем тока (перед нагрузкой). А, как известно, на сопротивлении теряется мощность. Для приборов, питающихся от автономных источников питания (аккумуляторов, батареек) лучше подбирать СП с малым сопротивлением в рабочем состоянии.
Рабочая температура самовосстанавливающегося предохранителя обычно лежит в интервале от -40 0 С до +85 0 С . При такой температуре сопротивление СП практически не меняется и лежит в пределах R min - R max . Температура «защёлкивания», или по-другому, срабатывания обычно составляет от +125 0 С и выше.
Ещё один параметр. Максимальный допустимый ток (I max , A). Это максимальный ток короткого замыкания, который выдерживает самовосстанавливающийся предохранитель без разрушения при номинальном напряжении (V max). Если ток через СП превысит величину I max , то он выйдет из строя навсегда (на деле - «сгорит»). Обычно величина этого параметра лежит в интервале нескольких десятков ампер (40 - 100 A).
Также очень важный параметр - это скорость срабатывания СП (Max. Time to Trip ). Так как на нагрев требуется некоторое время, то предохранитель срабатывает не мгновенно, а спустя какое-то время. Оно достаточно мало и составляет долю секунды. Время срабатывания зависит от тока перегрузки и температуры окружающей среды. Такие параметры, как время срабатывания указываются в документации на конкретную модель самовосстанавливающегося предохранителя.
Самовосстанавливающиеся предохранители выпускаются как в обычных корпусах для монтажа в отверстия (технология THT), так и для поверхностного (технология SMT). СП для монтажа в отверстия внешне выглядят как варисторы и имеют либо дисковый корпус, либо прямоугольный.
СП для поверхностного монтажа похожи на SMD резисторы , но могут иметь и другой корпус (как правило, в виде пластинки с ленточными выводами).
Самовосстанавливающиеся предохранители выпускают такие фирмы, как Bourns и Fuzetec.
Пример применения.
Примером применения самовосстанавливающегося предохранителя может быть использование его в блоке питания , о котором рассказывалось на страницах сайта.
В нем самовосстанавливающийся предохранитель используется совместно с другими элементами защиты. Срабатывание защиты не влечёт за собой необратимое перегорание предохранителя, и устройство начинает работать сразу же после устранения неисправности или короткого замыкания в питаемой схеме.
Самовосстанавливающиеся предохранители POLYFUSE® компании Littelfuse представляют собой полимерные терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC). В ряде приложений они становятся отличной заменой стандартным плавким предохранителям.
Для долгой и надежной работы электронных цепей необходимо обеспечить их защиту от перегрузок по току и напряжению. Традиционным способом защиты от перегрузки по току является использование плавких или самовосстанавливающихся предохранителей. Самовосстанавливающиеся предохранители – это терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (Positive Temperature Coefficient, PTC).
Главным особенностью PTC является резкое скачкообразное изменение сопротивления при разогреве. Именно это свойство используется для защиты от перегрузок по току. При увеличении тока выше уровня срабатывания, PTC разогревается и размыкает цепь.
Современные PTC изготавливаются из полимерных материалов.
Компания Littelfuse предлагает различные типы полимерных самовосстанавливающихся термопредохранителей (PPTC):
- PPTC для поверхностного монтажа различных типоразмеров (0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 1812, 2016, 2920). Для них характерны токи срабатывания от 300 мА до 14 А;
- выводные PPTC, которые имеют диапазон токов срабатывания 0,16…23,8 А;
- PPTC типа Battery Strap, которые оптимизированы для приложений с батарейным питанием (ноутбуки, планшеты и другие). Они имеют низкопрофильное исполнение и малое сопротивление.
Свойства PPTC в значительной степени определяются особенностями их конструкции. Рассмотрим ее подробнее.
Устройство и принцип работы PPTC
Существует несколько основных компаний, которые производият PPTC. Каждая из них запатентовала и использует свою марку: Polyfuse (Littelfuse), PolySwitch (TE Connectivity), Semifuse (ATC Semitec), Fuzetec (Fuzetec Technology), Multifuse (Bourns). Несмотря на отличия в названии, все PPTC имеют одинаковый принцип работы и сходную структуру. Рассмотрим ее на примере самовосстанавливающихся предохранителей производства компании Littelfuse.
PPTC представляет собой пластину непроводящего полимерного материала (рисунок 1). Как правило, это полиэтилен. При низких температурах полимер имеет преимущественно кристаллическое строение. Однако монокристаллическая структура не образуется. Это значит, что между отдельными кристаллическими участками оказываются незаполненные пространства. В процессе изготовления в эти пространства внедряют проводящий элемент – графит.
Благодаря графитовым каналам в неразогретом состоянии PPTC является проводником с низким собственным сопротивлением.
При разогреве выше определенной температуры перехода (обычно Тперехода порядка 125°C), молекулы полимера получают дополнительную энергию, и кристаллическая структура начинает трансформироваться в аморфную. Этот процесс сопровождается механическим расширением. Полимер вытесняет графит. В результате графитовые каналы разрываются, сопротивление резко увеличивается, а PPTC переходит в непроводящее состояние (рисунок 1, рисунок 2).
Когда температура предохранителя понижается, полимер начинает кристаллизоваться. Графитовые каналы образуются вновь, что приводит к возвращению проводящих свойств. В этом и состоит суть самовосстановления предохранителя. Стоит отметить, что величина сопротивления после восстановления всегда больше первоначальной. Об учете этого свойства будет сказано ниже.
Число переходов от проводящего состояния к непроводящему и обратно оказывается практически неограниченным. Это значит, что при отсутствии катастрофических факторов PPTC является, по сути, вечным предохранителем.
При использовании PPTC в качестве токоограничителя важным оказывается его свойство саморазогрева. В нормальном состоянии PPTC находится в проводящем состоянии. При протекании тока он, как и все элементы, рассеивает мощность Pd = I²R, где R – собственное сопротивление предохранителя. Если ток достаточно мал, то мала рассеиваемая мощность. В этом случае перегрев компонента оказывается незначительным, и большого роста сопротивления из-за саморазогрева не происходит.
Однако если ток имеет большое значение, то происходит значительное выделение тепла. Если температура превысит Tперехода – PPTC перейдет в непроводящее состояние и электрическая цепь окажется разомкнутой. В этом и состоит суть использования PPTC в качестве элемента защиты от перегрузок по току. Если аварийное состояние устранено, то предохранитель остывает и восстанавливает проводящие свойства.
Основные характеристики PPTC
Основными эксплуатационными характеристиками PPTC являются электрические и временные параметры, а так же температурные зависимости.
Ток удержания (Ihold), А – максимальный ток, который может пропускать PPTC без перехода в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха (обычно указывается для температуры 20…25°C).
Ток срабатывания (Itrip), А – минимальный ток, при котором PPTC переходит в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.
В большинстве случаев токовые характеристики оказываются основными при выборе предохранителя.
Ток утечки. PPTC в непроводящем состоянии имеет конечное сопротивление. Это значит, что он не в состоянии полностью разорвать цепь, и через нее могут протекать токи утечки. Иногда этот параметр указывают в документации.
Максимальный ток (Imax), А – максимальный ток, который PPTC может выдержать без разрушения.
Максимальное напряжение (Vmax), В – максимальное напряжение, которое может выдержать PPTC без повреждения при протекании максимального тока Imax. Очевидно, что значение Vmax должно покрывать требования конкретного приложения. При этом следует учитывать не только номинальные значения напряжений, но и возможность возникновения помех. Например, в легковых автомобилях номинальное напряжение бортовой сети не превышает 16 В, а уровень помех может превышать 100 В.
Мощность рассеивания при переходе (Pd), Вт – мощность, рассеиваемая PPTC при переходе в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.
Как было отмечено в предыдущем разделе, при восстановлении PPTC его сопротивление не принимает исходное значение. Оно оказывается выше. Сопротивления PPTC до монтажа, после монтажа и после восстановления будут отличаться. В документации приводят несколько различных параметров сопротивления.
Минимальное начальное сопротивление (Rmin), Ом – минимальное сопротивление PPTC в проводящем состоянии до монтажа на плату.
Максимальное сопротивление после восстановления (Rimax), Ом – минимальное сопротивление PPTC после одного часа восстановления при заданной температуре окружающего воздуха.
Время срабатывания, с – характеризует время перехода PPTC в непроводящее состояние при протекании тока. Имеет сильную зависимость от величины тока и температуры окружающей среды. Чем больше ток и температура, тем быстрее происходит переход. Диапазон времен срабатывания начинается от единиц миллисекунд.
Рабочий диапазон температур, °C, как правило, составляет -40…85°C. В этом диапазоне предохранитель не достигает температуры перехода.
Большая часть характеристик PPTC имеет сильную зависимость от температуры. Наиболее важной для практического применения является температурная зависимость тока срабатывания. Она носит линейный характер (рисунок 3). Из рисунка видно, что ток срабатывания увеличивается в три раза при переходе от 85°С до – 40°С. Аналогичные зависимости имеют и другие параметры. Эти особенности следует учитывать при проектировании схем защиты.
Несмотря на то, что традиционные плавкие предохранители имеют множество достоинств, PPTC являются незаменимыми во множестве приложений.
Качественное сравнение традиционных плавких предохранителей и PPTC
В большинстве случаев выбор между обычными плавкими предохранителями и PPTC делается исходя из требований конкретного приложения. Преимущества и недостатки каждого из решений определяются принципом работы этих защитных элементов (таблица 1).
Таблица 1. Качественное сравнение плавких предохранителей и PPTC
| Параметр | Плавкий предохранитель | Самовосстанавливающийся PPTC |
| Число использований | Однократное | Многократное |
| Затраты на обслуживания | Замена при каждом срабатывании | Отсутствуют |
| Качество ограничения | Полный разрыв цепи | Есть токи утечки |
| Токи утечки, мА | Отсутствуют | До сотен |
| Минимальный уровень ток срабатывания | Единицы А | Сотни мА |
| Максимальный уровень тока ограничения, А | Тысячи | Десятки |
| Максимальное напряжение, В | Типовое: до 600 | Типовое: до 60 |
| Максимальная рабочая температура, °С | 125 | 85 |
| Температурная зависимость тока срабатывания | Слабая | Сильная |
| Величина сопротивления в проводящем состоянии, мОм | Десятки | Сотни |
| Время срабатывания, мс | Десятки | Десятки |
Плавкий предохранитель представляет собой металлический проводник (или проволоку), который плавится при возникновении перегрузки по току. При этом для восстановления проводящей цепи необходимо заменить предохранитель. В итоге, для эксплуатации оборудования потребуется обслуживающий персонал, что в большинстве случаев крайне нежелательно. PPTC свободны от этого недостатка.
С другой стороны, PPTC не способны полностью разорвать электрическую цепь. Они имеют конечное значение сопротивления. Это приводит к наличию токов утечки. Для многих приложений это может быть неприемлемо. Плавкие предохранители полностью разрывают цепь.
В общем случае, плавкие предохранители используются для более мощных цепей. Типовые значения токов срабатывания для них начинаются от единиц А. PPTC подходят для маломощных приборов, которые необходимо защищать от перегрузок, начиная от сотен миллиампер.
Верхняя граница токов для плавких предохранителей значительно превышает возможности PPTC и составляет тысячи ампер.
Ограничение величины мощности защищаемых цепей происходит и за счет собственного сопротивления предохранителей в проводящем состоянии. Плавкие предохранители имеют сопротивление в несколько раз меньше, чем у PPTC.
Еще одним преимуществом плавких предохранителей является меньшая зависимость от температуры окружающей среды (рисунок 3).
Диапазон рабочих температур у PPTC более узкий. Они имеют максимальную рабочую температуру 85°С, в то время как обычные предохранители могут работать при 125°С.
Важным параметром при выборе типа защитного элемента является максимальное рабочее напряжение. У PPTC типовым является напряжение до 60 В. Для плавких предохранителей типовое напряжение достигает сотен вольт.
Современная портативная электроника накладывает ограничения на габариты используемых компонентов. PPTC для поверхностного монтажа выполняются в миниатюрных корпусах, в том числе – 0402. Это делает их незаменимыми в ноутбуках, сотовых телефонах и других гаджетах.
Подводя итог приведенным рассуждениям, можно утверждать, что оба типа предохранителей имеют как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними можно сделать только с учетом особенностей конкретного приложения.
PPTC будут предпочтительны в целом ряде случаев:
- в приложениях с требованием минимальных затрат на обслуживание;
- для слаботочных и низковольтных цепей;
- в портативной электронике с ограничениями к габаритам элементов;
- в потребительской, бытовой и другой электронике, работающей в узком температурном диапазоне.
Приведем конкретные примеры таких приложений (рисунок 4): сети с использованием Power Over Ethernet, USB1.1 и USB 2.0, сотовые телефоны и зарядные устройства, компьютерные интерфейсы, например, IEEE 1394 FireWire, домашние телефоны и так далее.
Обзор PPTC компании Littelfuse
Компания Littelfuse предлагает самовосстанавливающиеся предохранители POLYFUSE® для разных типов монтажа:
- PPTC для поверхностного монтажа серий , ;
- выводные PPTC серий , ;
- PPTC типа Battery Strap, оптимизированные для приложений с батарейным питанием.
Наиболее популярными разновидностями самовосстанавливающихся предохранителей являются PPTC для поверхностного монтажа и выводные. Рассмотрим их более подробно.
SMD PPTC. Номенклатура SMD-предохранителей включает в себя десять серий (таблица 2). Все серии выполняются для рабочего диапазона температур -40…85°C.
Таблица 2. SMD PPTC производства компании Littelfuse
| Наименование | Типоразмер | Ток удержания, А | Ток срабатывания, А |
Максимальное напряжение, В |
Максимальный ток, А |
|
| 0402L | 0402 (1005) | 0,1…0,5 | 0,3…1,0 | 6 | 40/50 | -40…85 |
| 0603 (1608) | 0,04…0,5 | 0,12…1,0 | 6…15 | 40 | ||
| 0805 (2012) | 0,10…1,10 | 0,3…2,00 | 6…24 | 40/100 | ||
| 1206 (3216) | 0,125…2,00 | 0,29…3,5 | 6…30 | 100 | ||
| 1210 (3225) | 0,05…2,0 | 0,15…4 | 6…30 | 10/100 | ||
| 1812 (4532) | 0,10…3,0 | 0,3…5 | 6…60 | 10/20/40/100 | ||
| 2016 (5041) | 0,30…2,00 | 0,6…4,2 | 6…60 | 20/40 | ||
| 2920 (7351) | 0,30…5,00 | 0,6…10 | 6…60 | 10/40 | ||
| – | 0,13 | 0,26 | 60 | 3 | ||
| 0402…2920 | 0,1…7,0 | 0,3…14 | 6/12 | 40/50 |
Минимальное значение тока удержания составляет 40 мА (серия ). Максимальное значение – 7 А (Серия LoRho, корпус 2920).
Диапазон возможных значений тока срабатывания начинается от 300 мА (серия ) и ограничивается величиной 14 А (Серия LoRho, корпус 2920).
Для серии LoRho характерны наименьшие значения сопротивлений в проводящем состоянии: Rmin от 1 мОм, R1max от 7 мОм (корпус 2920).
Наименьшими габаритами обладает серия 0402L. Длина корпуса для них составляет 1 мм, а ширина – 0,5 мм.
Выводные PPTC. Перечень выводных PPTC включает в себя семь серий (таблица 3). Диапазон рабочих температур для всех выводных самовосстанавливающихся предохранителей составляет -40…85°C.
Таблица 3. Выводные PPTC от Littelfuse
| Наименование | Ток удержания, А | Ток срабатывания, А | Максимальное напряжение, В |
Максимальный ток, А | Диапазон рабочих температур, °C |
| 0,75…2,50 | 1,3…5 | 6/16 | 40 | -40…85 | |
| 2,50…14,00 | 4,7…23,8 | 16 | 100 | ||
| 0,90…9,00 | 1,8…18 | 30 | 40 | ||
| 0,10…3,75 | 0,2…7,5 | 60 | 40 | ||
| 0,20…3,75 | 0,4…7,5 | 72 | 40 | ||
| 0,08…0,18 | 0,16…0,65 | 60 | 3/10 | ||
| 0,15…0,16 | 0,3…0,32 | 60 | 3 |
Наиболее низковольтной серией является USBR. Для нее рабочее напряжение составляет 6 В. Максимальным рабочим напряжением обладает серия – 60 В в проводящем состоянии и до 600 В в режиме прерывания тока.
Минимально доступное значение тока удержания достигается в серии – всего 80 мА, а максимальное значение в 14 А характерно для представителей серии . Для этой же серии достигается максимальное значение тока срабатывания – 23,8 А.
Как видно из представленного обзора, пользователю предлагается широкий выбор PPTC. Для нахождения оптимального предохранителя для стандартных и типовых приложений можно воспользоваться рекомендациями инженеров Littelfuse (таблица 4).
Таблица 4. Области применения PPTC производства Littelfuse
| Наименование | |||||||||||||||||
| Телекоммуникационное оборудование | |||||||||||||||||
| Требования Ul60950, TIA-968-A, GR-1089 | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| Требования ITU-T | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| CPE (Customer Premises Equipment) | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| Аналоговая телефония | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| T1/E1/J1 и HDSL | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| ISDN | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| ADSL | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| Кабельная телефония | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| PBX/KTS и Key Telephone System | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | + | + |
| Компьютерная техника | |||||||||||||||||
| Процессоры | – | – | – | – | – | – | – | + | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| USB | + | + | + | + | + | + | – | – | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| IEEE1284 | – | – | – | + | + | + | – | – | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| IEEE 802.3 | – | – | – | – | – | – | + | + | – | + | – | – | – | + | + | – | – |
| IEEE 1394 | – | – | – | – | – | + | – | + | – | + | – | – | + | – | – | – | – |
| Порты ввода/вывода | – | – | – | + | + | + | – | + | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| PC Card | – | + | + | + | + | + | – | + | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| SCSI | – | – | – | + | + | + | – | + | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| Видео порт | – | – | – | + | + | + | – | + | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| ЖК-мониторы | + | + | + | + | + | + | – | – | – | + | + | + | – | – | – | – | – |
| Потребительская электроника | |||||||||||||||||
| Set Top Box | – | – | – | + | + | + | – | + | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| Микрофоны | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – |
| Считыватели карт памяти | – | – | – | + | – | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| Мобильные телефоны | + | + | + | + | + | – | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| AC/DC-адаптеры | — | + | + | + | + | + | – | + | – | + | – | – | + | + | + | – | – |
| Входы портативных устройств | + | + | + | + | + | + | + | – | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| Управление двигателями | – | – | – | – | – | – | + | + | – | + | – | – | + | + | + | – | – |
| Высоко-индуктивные цепи | – | – | – | – | – | + | – | + | – | + | – | – | + | + | + | – | – |
| Медицинское оборудование | |||||||||||||||||
| Измерительные цепи | – | – | – | + | – | + | – | – | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
Если же предполагается применение PPTC в нестандартных схемах, то стоит воспользоваться предложенным компанией Littelfuse стандартным алгоритмом выбора.
Алгоритм выбора PPTC компании Littelfuse
Алгоритм, предлагаемый инженерами Littelfuse, состоит из нескольких шагов.
- На первом этапе необходимо определить основные электрические характеристики нагрузки: номинальные рабочие ток и напряжение, максимально допустимый ток, температуру окружающей среды, максимальную длительность нахождения в режиме перегрузки по току. Кроме того, следует спрогнозировать параметры возможных аварийных ситуаций и помех: значение возможного тока перегрузки, уровень напряжения помех. Дополнительными требованиями могут стать ограничения по габаритам и допустимому значению сопротивления предохранителя. Если для приложения предъявляются требования по стандартизации, то это также следует учесть.
- Вторым шагом является выбор соответствующего требованиям PPTC.
- Далее следует проверить, не выходят ли значения токов удержания и срабатывания за рамки допустимых значений во всем рабочем диапазоне температур. Аналогичным образом следует проанализировать время срабатывания. Если время срабатывания будет слишком большим, защищаемое устройство может выйти из строя. С другой стороны, слишком раннее срабатывание – также нежелательное явление.
- Следует проверить, что выбранный PPTC соответствует требованиям по уровням напряжения с учетом помех.
- Если требуется – необходимо проверить ограничения на габариты устанавливаемого предохранителя.
- Наконец, необходимо проверить функционирование схемы в реальных условиях.
Заключение
Компания Littelfuse выпускает широкий спектр пассивных компонентов, таких как плавкие предохранители, самовосстанавливающиеся предохранители, TVS-диоды и так далее.
Полимерные самовосстанавливающиеся PPTC, по сравнению с плавкими предохранителями, имеют как достоинства, так и недостатки. Тем не менее, в ряде приложений PPTC оказываются незаменимыми (POE, USB, IEEE 1394 Firewire и других).
Богатый выбор наименований позволит разработчикам найти наиболее подходящий предохранитель как для стандартных приложений, так и для особенных уникальных устройств.
Литература
- Positive Temperature Coeficient (PTC) Thermistor Products. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2008, Littelfuse.
- Electronics Circuit Protection. Product Selection Guide. 2013, Littelfuse.
- Why does USB 2.0 need Circuit Protection? 2013, Littelfuse.
- Документация на компоненты взята с официального сайта Littelfuse http://www.littelfuse.com/.