Самовосстанавливающийся предохранитель

Устройство, назначение и основные параметры

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 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 до . 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 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.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Как устроено электромагнитное реле.

• Супрессор. Параметры и назначение.

• Tutorial

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 < T

Идеальный сферический конь в вакууме.

Пора переходить от теории к практике. Соберём простую схему защиты нашего ценного устройства, настолько простую, что изображённая по ГОСТу она выглядела бы просто неприлично. Что же будет происходить, если в цепи вдруг возникнет недопустимый ток, превышающий ток срабатывания? Сопротивление материала из которого прибор изготовлен начнёт возрастать. Это приведёт к увеличению падения напряжения на нём, а значит и рассеиваемой мощности равной U*I. В результате температура растёт, это снова приводит к… В общем начинается лавинообразный процесс нагрева прибора с одновременным увеличением сопротивления. В результате проводимость прибора падает на порядки и это приводит к желаемому уменьшению тока в цепи. После того как прибор остывает его сопротивление восстанавливается. Через некоторое время, в отличие от предохранителя с плавкой вставкой, наш Идеальный Предохранитель снова готов к работе! Идеальный ли? Давайте вооружившись нашими скромными познаниями в физике прибора попробуем разобраться в этом.

Гладко было на бумаге, да забыли про овраги.

Пожалуй, главная проблема заключается во времени. Время вообще такая субстанция, которую очень трудно победить, хотя многим очень хотелось… Но не будем о политике — ближе к нашим полимерам. Как вы наверное уже догадались, я веду к тому, что изменение кристаллической структуры вещества гораздо более длительный процесс чем перестройка дырок с электронами, например в туннельном диоде. Кроме этого, для того чтобы разогреть прибор до нужной температуры, требуется некоторое время. В результате, когда ток через предохранитель вдруг превысит пороговое значение, его ограничение происходит совсем не мгновенно. При токах, близких к пороговому, этот процесс может занять несколько секунд, при токах близких к максимально допустимому для прибора, доли секунды. В результате за время срабатывания такой защиты сложное электронное устройство успеет выйти из строя, возможно, не один десяток раз. В подтверждение привожу типичный график зависимости времени срабатывания (по вертикали) от вызвавшего это срабатывание тока (по горизонтали) для гипотетического PTVC прибора. Обратите внимание, что на графике приведены для сравнения две зависимости, снятые при разных температурах окружающей среды. Надеюсь вы ещё помните, что первопричиной перестройки кристаллической структуры служит температура материала, а не протекающий через него ток. Это значит, что при прочих равных, для того чтобы разогреть прибор до состояния метаморфозы от более низкой температуры необходимо затратить больше энергии чем от более высокой, а значит, и процесс этот в первом случае займёт больше времени. Как следствие, получаем зависимость таких важнейших параметров прибора, как максимальный гарантированный ток нормальной работы и гарантированный ток срабатывания от температуры окружающей среды. Прежде чем привести график уместно упомянуть об о основных технических характеристиках данного класса приборов.

• Максимальное рабочее напряжение Vmax — это максимально допустимое напряжение, которое может выдерживать прибор без разрушения при номинальном токе.
• Максимально допустимый ток Imax — это максимальный ток, который прибор может выдержать без разрушения.
• Номинальный рабочий ток Ihold — это максимальный ток, который прибор может проводить без срабатывания, т.е. без размыкания цепи нагрузки.
• Минимальный ток срабатывания Itrip — это минимальный ток через прибор, приводящий к переходу из проводящего состояния в непроводящее, т.е. к срабатыванию.
• Первоначальное сопротивление Rmin, Rmax — это сопротивление прибора до первого срабатывания (при получении от изготовителя).

В нижней части графика находится рабочая область прибора. Что произойдёт в средней части зависит, судя по всему, от взаимного расположения звёзд на небе, ну а побывав в верхней части графика прибор отправится в путешествие (trip), которое вызовет метаморфозы его кристаллической структуры и как следствие срабатывание защиты. Ниже приведена таблица с данными реальных приборов. Разница в токе срабатывания в зависимости от температуры впечатляет! Таким образом, в устройствах предназначенных для работы в широком температурном диапазоне применять PPTC следует с осторожностью. Если вы считаете, что проблемы у нашего кандидата на звание Идеального Предохранителя закончились, то заблуждаетесь. Есть у него ещё одна слабость, присущая людям. После стрессового состояния, вызванного чрезмерным перегревом, ему необходимо придти в норму. Однако физика горячего тела очень похожа на физику мягкого. Как и человек после инсульта, прежним наш предохранитель уже не станет никогда! Для убедительности приведу очередной график, процесса реабилитации после стресса, вызванного превышением протекающего тока, который, меткие на слово англичане, обозвали Trip Event. и как они не боятся нашего роспотребнадзора? Из графика видно, что процесс восстановления может длиться сутками, но полным не бывает никогда. С каждым случаем срабатывания защиты нормальное сопротивление нашего прибора становится всё выше и выше. После нескольких десятков циклов прибор вообще теряет способность выполнять возложенные на него функции должным образом. Поэтому не стоит использовать их в случаях когда перегрузки возможны с высокой периодичностью. Пожалуй на этом стоило бы и закончить, и наконец приступить к обсуждению областей применения и схемотехнических решений, но стоит обсудить ещё некоторое нюансы, для чего посмотрим на основные характеристики широко распространённых серий нашего героя дня. При выборе элемента, который вы будете использовать в проекте обратите внимание на максимально допустимый рабочий ток. Если высока вероятность его превышения, то стоит обратиться к альтернативному виду защиты, либо ограничить его с помощью другого прибора. Ну например проволочного резистора. Ещё один очень важный параметр — максимальное рабочее напряжение. Понятно, что когда прибор находится в нормальном режиме напряжение на его контактах очень мало, но вот после перехода в режим защиты оно может резко возрасти. В недалёком прошлом этот параметр был очень мал и ограничивался десятками вольт, что не давало возможности использовать такие предохранители в высоковольтных цепях, скажем для защиты сетевых блоков питания. В последнее время ситуация улучшилась и появились серии, рассчитанные на достаточно высокое напряжение, но обратите внимание, что они имеют весьма небольшие рабочие токи.

Скрестим ужа и трепетную лань.

Судя по тому, какое разнообразие устройств PolySwitch предлагает рынок, использовать их в разрабатываемых вами устройствах можно, а в отдельных случаях даже нужно, но к выбору конкретного прибора и способа его использования следует подходить с большой тщательностью. Кстати, что касается схемотехники, прямая замена плавких предохранителей на PolySwitch хорошо проходит только в простейших случаях. Например: для встраивания в батарейные отсеки, или для защиты оборудования (электродвигатели, активаторы, монтажные блоки) и электропроводки в автомобильных приложениях. Т.е. устройств, которые не выходят из строя мгновенно при перегрузке. Специально для этого имеется широкий класс исполнения данных устройств в виде перемычек с аксиальными выводами и даже дисков для аккумуляторов. В большинстве же случаев PolySwitch стоит комбинировать с более быстродействующими устройствами защиты. Такой подход позволяет компенсировать многие из их недостатков, и в результате их с успехом применяют для защиты периферийных устройств компьютеров. В телекоммуникации, для защиты АТС, кроссов, сетевого оборудования от всплесков тока, вызванных попаданием линейного напряжения и молниями. А так же при работе с трансформаторами, сигнализациями, громкоговорителями, контрольно-измерительным оборудованием, спутниковым телевидением и во многих других случаях. Вот простенький пример защиты USB порта. В качестве комплексного подхода рассмотрим гипотетическую схему комплексно решающую задачу построения сверхзащищённого светодиодного драйвера с питанием от сети переменного напряжения 220В. В первой ступени самовосстанавливающийся предохранитель применён в связке с проволочным резистором и варистором. Варистор защищает от резких бросков напряжения, а резистор ограничивает протекающий в цепи ток. Без этого резистора в момент включения импульсного источника питания в сеть через предохранитель может течь недопустимо большой импульс тока, обусловленный зарядом входных ёмкостей. Вторая ступень защиты предохраняет от неправильного переключения полярности, или ошибочном подключении источника питания со слишком большим напряжением. При этом, в момент аварийной ситуации, бросок тока принимает на себя защитный TVS диод, а PolySwitch ограничивает протекающую через него мощность, предотвращая тепловой пробой. Кстати, эта связка настолько напрашивается в ходе разработки схемотехники и так широко распространена, что породила отдельный класс приборов — PolyZen. Весьма удачный гибрид ужа и трепетной лани. Ну, и на выходе наш самовосстанавливающийся предохранитель служит для предотвращения короткого замыкания, а так же на случай выхода из рабочего режима светодиодов, или их драйвера в результате перегрева, либо неисправности. В схеме также присутствуют элементы защиты от статики, но это уже не тема данной статьи…

Предупреждён — значит вооружён.

На прощание давайте кратко подведём итоги:

• Polyswitch это не плавкий предохранитель.
• Применяя Polyswitch необходимо заботиться о том, чтобы ток который через него проходит даже в случае внештатной ситуации не превышал допустимый. Необходимо применение ограничителей тока. В отдельных случаях ограничителем могут служить такие элементы как соединительные провода (электропроводка автомобиля) или внутреннее сопротивление батарей/аккумуляторов. В таких случаях возможна простейшая схема включения в разрыва цепи.
• Polyswitch весьма инерционный прибор, он не годится для защиты схем чувствительных к коротким броскам тока. В этих случаях его необходимо применять совместно с другими элементами защиты — стабилитронами, супрессорами, варисторами, разрядниками и т. п., что не освобождает вас от необходимости принятия мер, ограничивающих максимальный ток в цепи.
• Применяя Polyswitch следует следить чтобы напряжение на нём не превышало допустимого. Высокое напряжение может появиться после срабатывания прибора, когда его сопротивление увеличивается.
• Следует помнить, что количество срабатываний прибора ограниченно. После каждого срабатывания его характеристики ухудшаются. Он не подходит для защиты цепей в которых перегрузки являются обыденным делом.
• Ну и наконец, не забывайте что ток срабатывания этого прибора существенным образом зависит от температуры окружающей среды. Чем она выше, тем он меньше. Если ваше устройство рассчитано на эксплуатацию в расширенном температурном диапазоне или периодически работает в зоне повышенных температур (мощный блок питания или усилитель НЧ), это может привести к ложным срабатыванием.

P.S

Специально для того, чтобы в очередной раз не оскорблять чувства пользователя хочу отметить, что при подготовке статьи были использованы материалы из следующих источников:ru.wikipedia.orgwww.platan.ruwww.te.comwww.led-e.ruwww.terraelectronica.ru а также отрывки знаний из моей головы, почерпнутые в ходе реализации различных проектов по разработке радиоэлектронных устройств, обучения в МИЭТе и привычки, привитой со школьной скамьи, во всём искать физический смысл.

4 февраля 2015

BournsстатьяPTCпредохранителиPolyfuse

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.

• MF – сокращение от названия серии Multifuse;
• UUUU – серия предохранителя:
  • MSMF, NSMF, PSMF, USMF, SM – планарные;
  • R, RG, RM – радиальные выводные;
  • S, SVS, VS, VSN – аксиальные выводные.

Названия серий, оканчивающиеся на буквы HT, обозначают расширенный рабочий температурный диапазон. Например, для серии SMHT температура работы находится в диапазоне -40…125°C, а для серии SM – -40…85°C.

• ZZZ – ток пропускания через предохранитель (Ihold). Например, значение 030 соответствуют току 0,3 А, а число 300 – 3 А;
• YY – максимальное напряжение (Vmax). Если на месте «YY» стоит пропуск, то следует принимать стандартное напряжение для данной серии, а его значение необходимо уточнить в соответствующем описании;
• X – отметка о применении при изготовлении технологии FreeXpansion Design™, которая значительно увеличивает стабильность параметров полимера с положительным температурным коэффициентом при многократных срабатываниях;
• V – требование к упаковке:
  • V = 0 – элементы без упаковки;
  • V =2 – предохранители поставляются в лентах, накрученных на катушки (этот вариант целесообразен для линии автоматического монтажа).

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:

1. номинальный ток пропускания через предохранитель (Ihold);
2. максимальное напряжение, которое может быть приложено к PPTC-предохранителю (Vmax);
3. максимальный аварийный ток (Imax);
4. максимальная рабочая температура вашего устройства;
5. форм-фактор корпуса предохранителя.

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:

• Быстрое срабатывание. Компоненты PPTC имеют меньшую теплоемкость по сравнению с другими решениями, и нагреваются быстрее. В результате они быстрее срабатывают.
• Меньший размер. Компоненты PPTC занимают меньше места на плате, их легче интегрировать в изделие.
• Комбинированная защита от превышения тока или перегрева устройства. Удобство разработки заключается в том, что в одном корпусе PPTC-предохранителя совмещаются защиты и от превышения порогового тока, и от тепловой перегрузки, что позволяет сэкономить на себестоимости конечного продукта.
• Стабильная защита. Компоненты PPTC гарантируют разрыв цепи на протяжении всего времени отказа системы.
• Отсутствие необходимости в обслуживании. Работа схемы возобновится после устранения перегрузки по току и при остывании предохранителя, не требуя вмешательства обслуживающего персонала. Не нужно менять плавкую вставку или вручную включать автоматический выключатель!

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.

Литература

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_предохранитель
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Resettable_fuse
3. http://www.usb.org/developers/presentations/pres0500/Hosler_USB_PM.ppt
4. http://bretford.com/resources/downloads/brochures/UL%20White%20Paper.pdf
5. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/Bourns_CPK1173_LED_Lighting_AppNote.pdf
6. https://www.bourns.com/data/global/pdfs/Bourns_CP_Smart_Meter_Power_Comm_White_Paper.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••Используемые источники:

• https://go-radio.ru/ptc-resettable-fuses.html
• https://habr.com/post/254339/
• https://www.compel.ru/lib/67031