что такое самовосстанавливающийся предохранитель

Самовосстанавливающиеся предохранители. Мифы и реальность

В комментариях к моей прошлой статье о способах защиты от неправильного подключения полярности источника питания меня неоднократно корили за то, что не упомянул способ защиты с использованием самовосстанавливающегося предохранителя. Чтобы исправить эту несправедливость поначалу хотел просто добавить в статью дополнительную схему защиты и короткое к ней пояснение. Однако решил, что тема самовосстанавливающихся предохранителей заслуживает отдельной публикации. Дело в том, что устоявшееся их название не слишком отражает суть вещей, а копаться в даташитах и разбираться в принципе работы при применении таких “элементарных” компонентов, как предохранитель, часто начинают уже после того, как начала глючить первая партия плат. Хорошо если не серийная. Итак, под катом вас ждёт попытка разобраться, что же это за зверь такой PolySwitch, оригинальное название, кстати, лучше отражает суть прибора, и понять с чем его едят, как и в каких случаях имеет смысл его использовать.

Физика тёплого тела.

PolySwitch, это PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient) прибор, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. По правде, гораздо больше общих черт он имеет с позистором, или биметаллическим термопредохранителем, чем с плавким, с которым его обычно ассоциируют не в последнюю очередь благодаря усилиям маркетологов.
Вся хитрость заключается в материале из которого наш предохранитель изготовлен — он представляет собой матрицу из не проводящего 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 остывания прибора происходит процесс кристаллизации и предохранитель снова становится превосходным проводником.
Как выглядит температурная зависимость сопротивления видно из следующего рисунка

На кривой отмечено несколько характерных для работы прибора точек. Наш предохранитель является отличным проводником пока температура находится в рабочем диапазоне Point1

Источник

Принцип работы самовосстанавливающегося предохранителя

Самовосстанавливающийся предохранитель – самый удобный тип предохранителей, если говорить о его использовании. Его принцип работы основан на явлении испарения металла в жидком состоянии при протекании через него тока критической мощности. Пар металла имеет крайне высокое сопротивление, что и ограничивает проводимость электроцепи и размыкает ее. Так происходит контроль безопасности всех ее элементов, которые находятся после данного предохранителя.

Спустя несколько миллисекунд, металл конденсируется, его температура снижается, а проводимость восстанавливается. Сокращено такие предохранители называются ЖСП. Основными их преимуществами является многократное использование, нет необходимости менять их на новые после каждого срабатывания. В данной статье будут рассмотрены все вопросы их устройства и как их использовать.

Cамовосстанавливающиеся предохранители

Разработчики электронных устройств наверняка знают, к каким фатальным для этих устройств последствиям может привести перегрузка по току. Существует несколько способов защиты от таких ситуаций. Самый распространенный из них — использование плавких предохранителей. Безусловно, они работают хорошо, но рассчитаны только на одно срабатывание. При выходе плавкого предохранителя из строя он требует замены. Это не всегда удобно, а во многих случаях требуется вмешательство квалифицированного специалиста.

Преимущества самовосстанавливающихся предохранителей заключаются в том, что они рассчитаны на многократное срабатывание, а их разрушение происходит при токе, во много раз превышающем ток срабатывания. Уже сегодня СП нашли себе широкое применение в различных областях, таких как персональные компьютеры, трансформаторы, электромоторы, звуковоспроизводящая техника, аккумуляторные батареи, медицинское и измерительное оборудование, автомобильная электроника и др.

Устройство

Самовосстанавливающиеся предохранители изготавливаются из проводящего пластика, отформованного в тонкий лист с напылением электродов с обеих плоскостей. Проводящий пластик — это особое вещество, ноу-хау фирмы Bourns, состоящее из непроводящего электрический ток кристаллического полимера и распределенных в нем мельчайших частиц технического углерода, проводящих электрический ток. Электроды гарантируют равномерное распределение энергии по всей площади поверхности, к ним крепятся проволочные или лепестковые выводы. Особенностью, которая позволяет использовать этот материал в качестве СП, является то, что этот проводящий пластик проявляет высокий нелинейный положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Положительным ТКС обладает довольно большое количество материалов. Особенность материала СП — это сильная крутизна графика зависимости сопротивления от температуры самого СП или окружающей среды и практически скачкообразное изменение сопротивления из проводящего в непроводящее. До определенной, так называемой «переходной» температуры, сопротивление СП практически не возрастает. При достижении «переходной» температуры сопротивление возрастает в логарифмической пропорции.

Принцип работы

При комнатной температуре материал СП имеет кристаллическую структуру. Проводящие частицы технического углерода расположены в нем по границам кристаллов достаточно плотно и близко друг к другу, образуя цепочки, по которым может идти электрический ток. При возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкания нагрузки в цепи, где стоит СП) через СП начинает течь ток, превышающий номинальный, вследствие чего температура его материала начинает расти.

Поскольку это самонагревание продолжается, температура СП продолжает расти, пока не достигнет так называемой температуры «фазовой трансформации», при которой происходит изменение фазового состояния полимера из кристаллического в аморфное, сопровождаемое небольшим расширением. Проводящие частицы технического углерода более не сжаты кристаллами полимера в плотные цепочки, движутся относительном друг друга и больше не могут проводить электрический ток. В результате сопротивление материала СП резко возрастает, и он выключается.

В большинстве случаев выбор между обычными плавкими предохранителями и СП делается исходя из требований конкретного приложения. Преимущества и недостатки каждого из решений определяются принципом работы этих защитных элементов.

Схема включения

Схема включения СП такая же, как для обычных плавких предохранителей. СП включается в цепь питания последовательно с нагрузкой. Главными техническими характеристиками являются:

На всякое нагревание, как известно, требуется какое-то время. В связи с тем, что СП нагреваются, они переключаются не мгновенно, а требуют некоторого времени, которое зависит не только от температуры окружающей среды, но и от протекающего через них тока перегрузки.

Типы корпусов, габаритные и установочные размеры

Самовосстанавливающиеся предохранители выпускаются в нескольких типах корпусов:

Маркируются логотипом производителя, идентификатором серии, кодовым обозначением нормального рабочего тока (Ihold) и кодовым обозначением даты производства. На самовосстанавливающиеся предохранители в бескорпусном исполнении в виде дисков маркировка не наносится.

Основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей

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. Самовосстанавливающийся предохранитель широко используется в электронике для защиты электронной аппаратуры. Полимерный компонент резко увеличивает сопротивлением при превышении порогового значения протекающего через него тока. После уменьшения напряжения через заданный интервал времени предохранитель уменьшает свое сопротивление, поэтому его назвали самовосстанавливающимся. Самовосстанавливающиеся предохранители широко используются для защиты коммуникационных портов и интерфейсов. Ведущим производителем компонентов является компания Bourns.

Расчет мощности и сопротивления

Сопротивление полимерных предохранителей как минимум в два раза больше в сравнении с плавкими. В отличие от плавких предохранителей полимерные не обеспечивают полного разрыва цепи. Поэтому в “отключенном” состоянии (т.е. в состоянии высокого сопротивления) полимерные предохранители характеризуются током утечки. Величина тока утечки может достигать нескольких сотен миллиампер. Плавкие предохранители при срабатывании полностью разрывают цепь протекание тока.

Скорость реакции полимерных предохранителей хуже, чем у плавких. Времятоковая характеристика полимерных предохранителей во многом аналогична той, которую имеют плавкие предохранители типа Littelfuse Slo-Blo. Времятоковая характеристика отключения – зависимость времени “перегорания” от протекающего тока. Это, по сути, время отключения как функция тока.

Максимально допустимый ток через полимерный предохранитель 10-100 А, тогда как у некоторых типов плавких максимальный ток может достигать величины 10 тыс. ампер. Определения некоторых основных электрических характеристик полимерных предохранителей во многом соответствуют тем, которые используются для плавких. Вместе с тем, в связи с особенностями технологии в документации, предоставляемой компанией Littelfuse, в качестве основных приводятся следующие электрические характеристики полимерных предохранителей.

Ток удержания I_hold (hold current). По сути, номинальный ток предохранителя. Ток удержания – максимальный ток, который может протекать через предохранитель, и который не приводит к переходу в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха (как правило, – это 20 или 23 °C).

Ток срабатывания I_trip (trip current) – минимальный ток, при котором полимерный предохранитель переходит в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.

Максимальный ток I_max (maximum fault current) – максимальный ток, который предохранитель может выдержать без повреждения при напряжении V_max.

Максимальное напряжение V_max (maximum voltage device) – максимальное напряжение, которое может выдержать предохранитель без повреждения при протекании максимального тока I_max. Следует учитывать не только номинальное значение рабочего напряжения, но и возможность возникновения разного рода импульсных помех (например, в системе электропитания автомобилей). Полимерные предохранители общего применения компании Littelfuse предназначены для работы при напряжении до 60 В. Для сравнения плавкие предохранители рассчитаны на напряжение 1000 В и более.

Мощность рассеивания P_dmax (power dissipated) – мощность, рассеиваемая предохранителем при переходе в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха (обычно 20 или 23 °C).

Минимальное сопротивление R_min (minimum resistance of device in initial state). Минимальное начальное сопротивление предохранителя в проводящем состоянии до монтажа на плату, по сути, до его пайки.

Типовое сопротивление R_typ (typical resistance of device in initial state). Типовое сопротивление предохранителя в проводящем состоянии до монтажа на плату.

Максимальное сопротивление после восстановления R_1max (maximum resistance) – максимальное сопротивление при заданной температуре, измеренное по истечению одного часа после восстановления или через 20 с после пайки при температуре 260 °C.

Полимерные предохранители (Polyfuse, Resettable PTC) это не аналог плавких предохранителей и по сравнению с ними – инерционные устройства, что необходимо учитывать при выборе предохранителя для конкретного приложения. Следует также принимать меры для ограничения протекающего тока и падения напряжения на нем. В некоторых случаях даже сопротивление соединительных проводов, например, электропроводка транспортного средства или внутреннее сопротивление аккумулятора может ограничить ток до допустимого уровня в цепи предохранителя.

Источник

«Восстановить работоспособность!» Самовосстанавливающиеся PPTC-предохранители MULTIFUSE

Самовосстанавливающиеся предохранители являются миниатюрной альтернативой традиционным громоздким предохранителям. Они обеспечивают безупречную защиту компьютерной и портативной техники, батарейных устройств, автомобильной электроники. Широкий выбор этих изделий предлагает компания Bourns.

Рис. 1. Схема подключения PPTC-предохранителя

Наиболее распространенной и стандартной защитой электронных устройств от возникновения аварийных ситуаций является применение предохранителей. По принципу действия они делятся на четыре группы: плавкие, самовосстанавливающиеся, электронные и электромеханические [1]. Вместо традиционных плавких вставок с каждым годом все шире используются миниатюрные самовосстанавливающиеся предохранители. Эти устройства по аналогии с обычными предохранителями подключаются последовательно с нагрузкой (рисунок 1), но их эксплуатация имеет ряд особенностей.

Самовосстанавливающиеся предохранители – это устройства, ограничивающие ток в цепи, но в отличие от обычных плавких вставок, не утрачивающие работоспособность после срабатывания. Как правило, под самовосстанавливающимися предохранителями подразумеваются PPTC-термисторы.

Рис. 2. Срабатывание полимера с положительным температурным коэффициентом при увеличении температуры

PPTC (Polymeric positive temperature coefficient device) – полимерные устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Впервые такие устройства были открыты, описаны и запатентованы компанией Bell Labs в 1939 году (патент номер US#2,258,958) [2].

Принцип работы PPTC-предохранителя основан на способности полимера изменять проводящую структуру при нагревании). На рисунке 2 показана идеализированная кривая зависимости логарифма сопротивления от температуры предохранителя. При комнатной температуре полимер имеет кристаллическую структуру, так что движение заряженных частиц происходит упорядоченно, и ток в цепи определяется рабочим значением сопротивления нагрузки RL (рисунок 1). В случае возникновения аварийной ситуации ток в цепи резко увеличивается, нагревая полимер. При определенной температуре происходит срабатывание предохранителя, а именно – меняется фазовое состояние полимера из кристаллического в аморфное (рисунок 3). В результате сопротивление термистора резко возрастает, и ток в цепи теперь определяется значением сопротивления RMF.

Рис. 3. Принцип работы самовосстанавливающегося предохранителя

Области применения

PPTC-предохранители прекрасно зарекомендовали себя как непременные элементы защиты в необслуживаемых устройствах с возможностью возникновения многократных перегрузок по току и устройствах, где замена плавкой вставки является проблематичной. Особенно актуальна защита с применением PPTC-предохранителей в разъемах электроники, где цепи питания могут замкнуться из-за внешнего воздействия и привести к перегрузке по току. Иными словами, сфера применения таких предохранителей включает в себя компьютеры и мобильные устройства (телефоны, планшеты, плееры), трансформаторы, звуковоспроизводящую технику, электромоторы, элементы питания, медицинское и измерительное оборудование, автомобильную электронику и телекоммуникационные сети.

Существует множество стандартов, в которых регламентируется необходимость защиты от токовых перегрузок. Например, стандарты PC 97, PC 98, PC 99 и PC 2001, которые разработаны совместно Microsoft и Intel для IBM-совместимых компьютеров; USB OTG (разработан USB Implementers Forum, Inc.); Telcordia GR-1089-CORE для защиты интерфейса абонентской линии или EN60742 для защиты трансформатора. Требования перечисленных стандартов можно успешно выполнить, используя PPTC-предохранители серий MULTIFUSE® производства Bourns.

Технические характеристики

Так как самовосстанавливающиеся предохранители имеют ярко выраженный положительный температурный коэффициент сопротивления, их характеристики зависят от температуры окружающей среды. Для срабатывания PPTC-предохранитель должен нагреться, поэтому переключение происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое зависит не только от температуры окружающей среды, но и от протекающего через предохранитель тока перегрузки. Предохранитель остается в «горячем» состоянии, обеспечивая постоянную защиту до тех пор, пока находится под напряжением или пока не будут устранены причины его срабатывания. После устранения причин выключения предохранитель охлаждается и его сопротивление со временем возвращается к номинальному значению.

С учетом вышесказанного для самовосстанавливающихся предохранителей можно выделить основные характеристики.

Ток пропускания, Ihold at 23°C, – это номинальный рабочий ток, то есть максимальный установившийся ток при температуре 23°C, не приводящий к срабатыванию предохранителя, а именно – к переходу из проводящего состояния в разрывное.

Ток срабатывания, Itrip at 23°C, – минимальный ток, приводящий к обязательному срабатыванию предохранителя при температуре 23°C.

Максимально допустимый ток срабатывания, Imax, – ток, который может быть прерван предохранителем при возникновении перегрузки без опасности разрушения самого защитного элемента.

Максимальное рабочее напряжение, Vmax, – это максимально допустимое напряжение, не приводящее к разрушению предохранителя при номинальном токе пропускания.

Время срабатывания, Time to Trip или ttrip at 23°C, – период времени после возникновения перегрузки (дополнительно указывается ток срабатывания Itrip, при котором происходило измерение времени, в течение которого падение напряжения на предохранителе станет больше 80% от величины напряжения питания защищаемой цепи, то есть сопротивление элемента станет значительно выше.

Мощность рассеяния, Tripped Power Dissipation или РD at 23°C, – мощность, рассеиваемая корпусом предохранителя при температуре 23°C.

Первоначальное сопротивление, Initial Resistance Rmin или Rmax at 23°C, – сопротивление предохранителя при указанных условиях перед его подключением в схему.

Сопротивление через час после срабатывания, One Hour Post-Trip Resistance или R1max at 23°CC — максимальное сопротивление предохранителя при температуре 23°C через 1 час после его срабатывания или пайки оплавлением.

В последние годы самовосстанавливающиеся предохранители стали чрезвычайно популярными изделиями, и все ведущие производители компонентов защиты цепей, среди которых TE Connectivity (Raychem), LittleFuse и, конечно же, Bourns, имеют их в своем портфеле. PPTC-предохранители производства компании Bourns семейства Multifuse® (рисунок 4) уже довольно широко известны на российском рынке, но разнообразие серий и исполнений вызывает некоторое замешательство у тех, кто только планирует использовать их в своих изделиях. Мы постараемся рассмотреть самые перспективные и применяемые серии этих предохранителей.

Рис. 4. Внешний вид планарных и выводных предохранителей Multifuse

Технические параметры Multifuse® для планарного и выводного монтажа представлены в сводных таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Сравнение и области применения контактных и бесконтактных энкодеров

Таблица 2. Характеристики выводных предохранителей Multifuse®

Расшифровка наименования PPTC-предохранителей серии Multifuse

Наименования моделей предохранителей имеют удобную и понятную структуру, позволяющую легко расшифровать основные рабочие параметры. В общем случае название имеет вид MF – UUUU ZZZ/YY X – V.

Например, модель MF-MSMF 250/16 X-2 подразумевает, что используется PPTC-предохранитель типа Multifuze производства Bourns планарной серии MSMF с током пропускания 2,5 А при 23°C и максимальным напряжением 16 В. Буква «Х» обозначает, что при изготовлении применялась технология FreeXpansion Design™. Цифра «2» обозначает упаковку в катушках по 1500 штук в каждой.

Алгоритм подбора PPTC-предохранителя

При выборе самовосстанавливающегося PPTC-предохранителя необходимо определить следующие параметры:

Обратим внимание, что при выборе предохранителя критически важно учитывать зависимость тока пропускания Ihold от окружающей температуры. Для каждой серии предохранителей существуют таблицы поправочных коэффициентов, позволяющие избежать случайных срабатываний (таблица 3).

Таблица 3. Зависимость тока пропускания Ihold от температуры окружающей среды для серии MF-MSMF

Примеры использования

Рассмотрим задачу создания защиты электронных устройств от возникновения аварийных ситуаций при питании портативного устройства от USB 2.0. Ток потребления от шины питания USB не должен превышать 500 мА [3]. Допустим, что эксплуатация устройства происходит при экстремальной температуре 70°C. Напряжение питания USB лежит в диапазоне 4,4…5,25 В. Обратившись к документации, выберем модели с подходящим максимальным рабочим напряжением (в данном случае – 6 В). В перечень таких моделей попадут MF-MSMF110, MF-MSMF125, MF-MSMF150 и другие. Теперь проверим, подойдут ли они по току удержания (Ihold), с учетом поправки на высокую температуру окружающей среды. Обратившись к таблице 3, мы видим, что для нашей задачи и по этому параметру подходит любой из перечисленных предохранителей, время срабатывания, однако, будет несколько отличаться. Стоит заметить, что протекание тока 0,5 А через Multifuse не вызывает нагрева самого устройства, так как выделяющаяся мощность и падение напряжения пренебрежимо малы. Типовая схема организации защиты USB-порта изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Применение компонентов компании Bourns для USB

Для защиты от электростатических разрядов рекомендуется ставить варисторы CG0603MLC-05E семейства Chip Guard или двунаправленные TVS-диоды (супрессоры) CDSOD323-T05C. В соответствии со стандартом техники безопасности UL60950 [4] порт должен выдержать короткое замыкание в течении 60 секунд без возгорания.

Другой пример – светодиодное освещение. Драйвер, он же источник питания, со стабилизацией выходного тока должен быть рассчитан на область безопасной работы светодиодной нагрузки. Наиболее часто такие устройства выполняют с помощью высокочастотного ШИМ-контроллера с обратной связью по току, протекающему через светодиоды. Хорошо известно, что светодиоды очень чувствительны к перегреву. Для нормального времени жизни и надежной работы температура p-n-перехода не должна превышать 85°С. Компания Bourns рекомендует применять устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления совместно со светодиодами для защиты последних от перегрева.

На рисунке 6 изображена комплексная защита светодиодного светильника совместно с ключевым источником питания [5]. Основываясь на конкретных требованиях проекта, параметры представленных компонентов нужно корректировать. Для температурной и токовой защиты предлагается использовать миниатюрную серию MF-MSMF. Например, Multifuse MF-MSMF075 (Ihold = 0,75 А, Vmax = 13,2 В) переходит из проводящего состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением за 0,2 секунды при аварийном токе Itrip = 8 А и температуре предохранителя, равной 23°C.

Рис. 6. Применение компонентов производства компании Bourns для светодиодных решений

Помимо самовосстанавливающегося предохранителя, компания Bourns® предлагает использовать в светодиодных устройствах высокоточные резисторы с низким температурным коэффициентом (75 PPM) и мощностью рассеивания до 3 Вт в качестве датчика тока (например, серия CRA2512) в стандартном корпусе 2512, компактные индуктивности (серия SRU1048) для планарного монтажа с высотой менее 4,8 мм при токах до 7,8 А, а также диоды Шоттки (серия CD1005-B0520) с обратным напряжением до 30 В.

Чтобы устройство соответствовало стандартам IEC6100-4-5 Surge (защита от скачков напряжения), IEC6100-4-4 EFT (устойчивость к быстрым переходным процессам), IEC6100-4-2 Level 4 ESD (устойчивость к электромагнитным воздействиям), рекомендуется применять супрессоры (TVS-диоды) серии SMAJ c напряжением 5…179 В и рассеиваемой мощностью до 400 Вт.

Стоит уделить особое внимание самовосстанавливающимся предохранителям серии MF-RM. Специально разработанные для однофазной сети переменного тока c номинальным напряжением 220 В самовосстанавливающиеся предохранители Multifuse производства Bourns позволяют отказаться от применения дорогостоящих входных автоматических выключателей или плавких вставок. Серия MF-RM отлично показала себя в роли токовой защиты и защиты от перегрева в таких областях применения, как счетчики электрической энергии, электрические вентиляторы, кофемашины и другая кухонная техника, а также во всевозможных адаптерах переменного тока [6]. Время срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей серии MF-RM существенно меньше, чем у автоматических выключателей и плавких вставок. На рисунке 7 показана схема организации защиты устройств, подключаемых к однофазной сети переменного тока. Совместно с предохранителем серии MF-RM рекомендуется использовать варистор серии MOV-10DxxxK для защиты нагрузки от возможных скачков напряжения в сети.

Рис. 7. Применение компонентов Bourns для защиты устройств, подключаемых к однофазной сети переменного тока

Cамовосстанавливающиеся предохранители обладают рядом интересных преимуществ:

Заключение

Проблема максимальной экономии пространства на плате остро ставит вопрос о минимизации габаритов компонентов защиты. Самовосстанавливающиеся предохранители прекрасно вписываются в эту концепцию, являясь миниатюрной альтернативой традиционным громоздким предохранителям, обеспечивая безупречную защиту компьютерной и портативной техники, батарейных устройств, автомобильной электроники. Иными словами, везде, где присутствует источник питания и нагрузка, целесообразно применение PPTC-предохранителя. Компания КОМПЭЛ, получившая статус официального дистрибьютора Bourns, предлагает широкую номенклатуру PPTC со склада и под заказ, а также техническую поддержку, бесплатные образцы и проектные поставки по специальным ценам.

Источник