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
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 (далее - СП) фирмы Bourns 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 (рис. 1). 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 (рис. 2).
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 (рис. 3).
СП остается в «горячем» состоянии, обеспечивая постоянную защиту до тех пор, пока находится под напряжением или пока не будут устранены причины его срабатывания. Выключение - это реверсивный процесс. После устранения причин выключения СП охлаждается, полимер снова кристаллизуется, проводящие цепочки восстанавливаются, и сопротивление СП быстро возвращается к первоначальному уровню. СП снова готов к работе.
Схема включения
Схема включения СП такая же, как для обычных плавких предохранителей. СП включается в цепь питания последовательно с нагрузкой (см. рис. 4).
Технические характеристики
В таблице 1 даны электрические параметры СП.
Таблица 1. Электрические характеристики самовосстанавливающихся предохранителей Multifuse фирмы Bourns
Максимальное рабочее напряжение (Vmax) - это максимально допустимое напряжение, которое может выдерживать СП без разрушения при номинальном токе.
Максимально допустимый ток (Imax) - это максимальный ток, который СП может выдержать без разрушения.
Номинальный рабочий ток (Ihold) - это максимальный ток, который СП может проводить без срабатывания, т.е. без размыкания цепи нагрузки.
Минимальный ток срабатывания (Itrip) - это минимальный ток через СП, приводящий к переходу из проводящего состояния в непроводящее, т.е. к срабатыванию.
Первоначальное сопотивление (Rmin–Rmax) - это сопротивление СП до первого срабатывания (при получении от изготовителя).
Так как СП - это устройства с ярко выраженным положительным ТКС, их характеристики зависят от температуры окружающей среды. В таблице 2 приводится зависимость нормального рабочего тока и минимального тока срабатывания от температуры окружающей среды.
Таблица 2. Зависимость нормального рабочего тока и минимального тока срабатывания от температуры окружающей среды
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.
В таблице 1 указано время срабатывания при токе, в 5 раз превышающем нормальный рабочий ток (Ihold).
Зависимость времени срабатывания от тока перегрузки показана на графиках (рис. 7).
Типы корпусов, габаритные и установочные размеры
Самовосстанавливающиеся предохранители Multifuse выпускаются в нескольких типах корпусов:
- Дисковые с радиальными проволочными выводами: серии MF-R, MF-RX (рис. 5). Общего применения, для печатного монтажа в отверстия или для навесного монтажа.
- Для поверхностного монтажа: серии MF-SM, MF-MSM. Общего применения.
- В плоских прямоугольных корпусах с ленточными выводами: серии MF-S, MF-LS (рис. 6). Применяются для защиты аккумуляторных батарей от короткого замыкания и перегрева в процессе зарядки.
- В бескорпусном исполнении в виде дисков без выводов.
В. Охрименко
В статье рассматриваются характеристики самовосстанавливающихся предохранителей компании Littelfuse.
Введение
Традиционный способ защиты от перегрузки по току - применение плавких или самовосстанавливающихся предохранителей.
Компания Littelfuse - ведущий производитель пассивных электронных компонентов для "защиты" разного рода электротехнических устройств. Одно из важных направлений - производство предохранителей, основное назначение которых - защита от избыточного тока при возникновении аварийных ситуаций в системе. Кроме классических плавких предохранителей компания в настоящее время выпускает и т.н. самовосстанавливающиеся предохранители (polymeric positive temperature coefficient devices) [ - ].
Самовосстанавливающиеся предохранители - по сути, полимерные терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (Positive Temperature Coefficient - PTC). В некоторых приложениях полимерные PTC-предохранители (в дальнейшем полимерные предохранители) можно с успехом использо- вать для замены стандартных плавких предохранителей (fuse).
И плавкие и полимерные предохранители предназначены для защиты устройств от перегрузок по току при возникновении аварийных режимов в системе, предохранения оборудования и людей от возникновения пожара и возможного риска поражения электрическим током, а также для изолирования дефектных блоков и узлов от основной системы еще до момента возникновения более неблагоприятных последствий.
Однако эти типы предохранителей базируется на разной технологии изготовления, и соответственно обладают разными уникальными характеристиками, преимуществами и недостатками. Понимание особенностей технологий и принципа действия поможет сделать правильный выбор предохранителя для конкретного приложения с учетом всех его многочисленных параметров. Пожалуй, основное их отличие заключается в том, что полимерные предохранители восстанавливают свои характеристики (за исключением экстремальных случаев) после прекращения действия перегрузки, т.е. после снижения уровня протекающего тока. Однако восстановление характеристик происходит не полностью, что, конечно, следует учитывать при их применении в конкретном приложении. Традиционные плавкие предохранители для возобновления работоспособности системы подлежат обязательной замене после перегорания.
Поскольку полимерные предохранители восстанавливаются автоматически, их применение оправдывается в тех цепях, в которых перегрузки по току случается довольно часто, а также, если доступ к месту их установки затруднен. В таких случаях сокращаются расходы на гарантийное и сервисное обслуживание. Однако для окончательного выбора типа предохранителя необходимо учитывать все эксплуатационные характеристики устройства.
И полимерные и традиционные плавкие предохранители реагируют, по сути, на тепло, выделяемое при протекании тока. В плавком предохранителе происходит расплавление плавкой вставки (т.е. обрыв цепи) и, в конечном счете, его разрушение. Самовосстанавливающийся только ограничивает ток в цепи вследствие существенного увеличение величины его сопротивления, что также происходит в процессе его нагревания.
Упрощенное устройство полимерного предохранителя и принцип его действия следующий. Полимерный предохранитель представляет собой компаунд, состоящий из непроводящего полимерного материала (как правило, полиэтилена) и проводящих фракций графита. Благодаря наличию графитовых каналов в нормальном состоянии полимерный предохранитель является проводником со сравнительно низким собственным сопротивлением. При разогреве выше определенной температуры (т.н. температуры перехода) молекулы полимера получают дополнительную энергию, и изначальная кристаллическая структура трансформируется в аморфную, вследствие этого разрушаются графитовые каналы, что приводит к резкому изменению проводимости и соответственно к повышению сопротивления предохранителя. При снижении температуры полимер кристаллизуется, графитовые каналы восстанавливаются, что приводит к возврату проводящих свойств предохранителя.
Характеристика переключения приведена на Рис. 1. Однако недостаток в том, что величина сопротивления после восстановления всегда больше первоначальной. Число переходов от проводящего состояния к непроводящему и обратно практически неограниченно, т.е. при отсутствии катастрофических факторов срок службы полимерного предохранителя не ограничен.
В статье рассматриваются характеристики и особенности полимерных предохранителей (Polyfuse, Resettable PTC), выпускаемых компанией Littelfuse.
Характеристики
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.
При выборе полимерного предохранителя следует принимать во внимание изменение параметров в рабочем диапазоне температур, габаритные размеры, а также соответствие стандартам. Для некоторых типов полимерных предохранителей в Табл. 1 приведены зависимости номинального тока срабатывания предохранителей от температуры.
| Таблица 1. | Зависимость номинального тока от температуры для некоторых типов полимерных предохранителей Littelfuse. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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. На Рис. 2 приведен график зависимости времени срабатывания от величины протекающего тока для полимерных предохранителей серии 0805L.
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.
| Таблица 2. | Параметры SMD-предохранителей серии 0805L. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В Табл. 2 приведены параметры полимерных предохранителей серии 0805L, в Табл. 3 - параметры предохранителей серии 30R.
| Таблица 3. | Параметры предохранителей серии 30R. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Заключение
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.
Нельзя забывать, что при восстановлении полимерного предохранителя его характеристики ухудшаются после каждого срабатывания, поэтому на реальное число срабатываний влияют также специфические особенности эксплуатации некоторых приборов (например, тех, в которых перегрузка по току - частое явление).
Ток срабатывания в значительной мере зависит от температуры окружающей среды. Если устройство предназначено для эксплуатации в расширенном диапазоне температур, использование полимерных предохранителей потенциально может привести к ложным срабатываниям.
Диапазон рабочих температур полимерных предохранителей всего -40…85 °С. На Рис. 3 приведены графики зависимости номинальных параметров от температуры для плавких и полимерных предохранителей.
Постоянное уменьшение габаритных размеров современной портативной электроники влечет за собой уменьшение размеров используемых компонентов. Полимерные SMD- предохранители типоразмера 0402 и 0603 можно с успехом применять в ноутбуках, мобильных телефонах и других интеллектуальных гаджетах.
В Табл. 1...3 приведены параметры полимерных предохранителей, выпускаемых компанией Littelfuse, на Рис. 4 - возможные варианты их использования.
Более полную информацию о полимерных предохранителях компании Littelfuse можно найти в .
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/.
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.
Интернет-магазин Платан предлагает Устройства защиты, предохранители и самовосстанавливающиеся предохранители различных производителей по конкурентной цене. Для выбора компонента используйте поиск по параметрам, техническую документацию и описание. Доставка товара осуществляется различными транспортными компаниями или самовывозом из офисов в Москве и Санкт-Петербурге, предлагаем любые виды оплаты.
