Самовосстанавливающиеся предохранители

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.

Рис 1.	Характеристика переключения полимерных предохранителей.

В статье рассматриваются характеристики и особенности полимерных предохранителей (Polyfuse, Resettable PTC), выпускаемых компанией Littelfuse.

Особенности применения PPTC

При использовании PPTC необходимо помнить о некоторых особенностях их эксплуатации.

Зависимость тока срабатывания от температуры окружающей среды

Как уже отмечалось выше, PPTC, как и обычные плавкие предохранители, на самом деле срабатывают не из-за перегрузки по току, а из-за перегрева, вызванного увеличением рассеиваемой мощности. Таким образом, температура окружающей среды и качество теплоотвода оказывают сильное влияние на характеристики PPTC.

При увеличении температуры окружающей среды потребуется меньшая мощность для разогрева непроводящего полимера PPTC до температуры перехода. То есть с ростом температуры ток срабатывания быстро уменьшается.

Обычные плавкие предохранители также страдают от этого недостатка, но у PPTC зависимость оказывается значительно сильнее. На рис. 4 приведены температурные зависимости номинального тока срабатывания для популярных серий самовосстанавливающихся предохранителей ECE. На этом же графике изображена температурная зависимость стандартных автомобильных предохранителей ATO от компании Littelfuse. Как говорится, разница налицо. Если для плавких предохранителей уменьшение тока срабатывания в диапазоне –40…+85 °C составляет около 20%, то для PPTC оно может достигать 130%!

Рис. 4. Температурная зависимость тока срабатывания от температуры

Зависимость времени срабатывания от тока

Разогрев структуры самовосстанавливающегося предохранителя имеет инерционный характер и зависит от величины протекающего тока. Чем выше ток, тем быстрее сработает PPTC.

Здесь опять стоит отметить, что обычные предохранители также страдают от этого эффекта. Для сравнения на рис. 5 приведены зависимости для серии ERFSM и стандартных автомобильных предохранителей ATO от компании Littelfuse.

Рис. 5. Температурная зависимость времени срабатывания от тока

Зависимость тока срабатывания от качества теплоотвода

Как правило, плавкие предохранители устанавливаются в держатели, тем самым получая дополнительную теплоизоляцию. Напротив, PPTC распаиваются на печатной плате, которая становится своего рода радиатором. Это особенно критично для самовосстанавливающихся предохранителей для поверхностного монтажа. Плата с массивными медными полигонами способна значительно повлиять на величину тока срабатывания и на скорость срабатывания PPTC. Эту особенность также следует учитывать.

PPTC могут требовать внешней защиты от перенапряжений и КЗ

Несмотря на то, что самовосстанавливающиеся предохранители используются для защиты от перегрузки по току, им самим может потребоваться защита от КЗ. Как было сказано выше, одним из параметров PPTC является максимальный ток I_MAX. При его превышении предохранитель попросту разрушается вследствие необратимых термических процессов.

Эта проблема не критична, если источник тока (например, батарейка) не способен выдать ток более I_MAX. В противном случае для защиты следует выбрать другую модель PPTC или использовать дополнительный системный плавкий предохранитель.

Также самовосстанавливающиеся предохранители имеют вполне конкретные ограничения по уровню рабочего напряжения. Если существует угроза перенапряжений, обычно устанавливают дополнительные шунтирующие или TVS-диоды (рис. 3).

Деградация

При рассмотрении основных параметров PPTC были приведены два значения сопротивлений: R_min и R_1max. При этом R_1max всегда оказывается больше. Это неспроста. Дело в том, что после остывания PPTC его сопротивление никогда не возвращается к исходному значению R_min, даже если время восстановления достигает нескольких дней или месяцев (рис. 6).

Рис. 6. Изменение сопротивления PPTC при остывании

Это явление напоминает деградацию — необратимое ухудшение характеристик после срабатывания. В итоге, хотя PPTC и является инструментом защиты многоразового использования, качество его работы ухудшается с течением времени. Об этом нужно помнить.

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

Наименование	Ihold, А	Itrip, А	Vmax, В	Диапазон рабочих температур, °C
MF-S	1,2…4,2	2,7…7,6	15…30	-40…85
MF-LR	1,9…9	3,9…16,7	15…20	-40…85
MF-LS	1,8…3,4	3,8…6,8	15…24	-40…85
MF-LSMF	1,85…3	3,7…5,2	6…33	-40…85
MF-SMDF	0,55…2	1,2…4	10…60	-40…85
MF-MSMF	0,1…2,6	0,3…5,2	6…60	-40…85
MF-USMF	0,05…1,75	0,15…3,5	6…30	-40…85
MF-USML	1,75…3,8	3,5…8	6	-40…85
MF-NSMF	0,12…2	2,29…4	6…30	-40…85
MF-NSML	1,5…4	3…8	6	-40…85
MF-PSMF	0,1…1,1	0,3…2,2	6…15	-40…85
MF-PSHT	0,1	0,6	16	-40…125
MF-FSMF	0,1…0,5	0,3…1	6…15	-40…85
MF-SM	0,3…3	0,6…6	6…30	-40…85
MF-SMHT	1,36…1,6	2,72…3,2	16	-40…125
MF-SM013/250	0,13	0,26	60	-40…85
MF-SM013/250V	0,13	0,26	60	-40…85
MF-SD/250	0,13	0,26	60	-40…85

Таблица 2. Характеристики выводных предохранителей Multifuse

Наименование	Ihold, А	Itrip, А	Vmax, В	Диапазон рабочих температур, °C
MF-R	0,05…11	0,1…22	16…60	-40…85
MF-RHT	0,7…13	1,4…24	16	-40…125
MF-RM	0,05…0,55	0,12…1,25	240 (AC)	-20…85
MF-RX/72	0,2…3,75	0,4…7,5	72	-40…85
MF-R/90	0,55…0,75	1,1…1,5	90	-40…85
MF-RX/250	0,12…0,18	0,24…0,36	250 (AC)	-40…85
MF-R/600	0,15…0,16	0,3…0,32	600 (AC)	-40…85

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.

Рис. 1

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.

Самовосстанавливающиеся предохранители SMD 1812

	0,1А	0,3А	30В	100А	0,8 Вт	1,5 сек (0.5А)	1,6 Ом	15 Ом
SMD1812P020TF	0,2А	0,4А	30В	100А	0,8 Вт	0,02 сек (8А)	0,8 Ом	5 Ом
SMD1812P050TF	0,5А	1А	15В	100А	0,8 Вт	0,15 сек (8А)	0,15 Ом	1 Ом
SMD1812P050TF/30	0,5А	1А	30В	100А	0,8 Вт	0,15 сек (8А)	0,15 Ом	1 Ом
SMD1812P075TF/24	0,75А	1,5А	24В	40А	0,8 Вт	0,2 сек (8А)	0,11 Ом	0,29 Ом
SMD1812P110TF/33	1,10А	1,95А	33В	20А	0,8 Вт	0,5 сек (8А)	0,06 Ом	0,20 Ом
SMD1812P125TF/16	1,25А	2,5А	15В	40А	0,8 Вт	0,4 сек (8А)	0,07 Ом	0,25 Ом
SMD1812P150TF/24	1,5А	3,0А	24В	20А	0,8 Вт	1,5 сек (8А)	0,04 Ом	0,12 Ом
SMD1812P200TF	2,0А	3,5А	8В	40А	0,8 Вт	2,00 сек (8А)	0,02 Ом	0,06 Ом

Цены в формате .pdf, .xls

Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 2000 штук самовосстанавливающихся предохранителей для поверхностного монтажа типоразмера 1812 (1812P010TS — 1812P050TG/S) и 1500 штук 1812P125TS, 1812P200TS.

Типы корпусов, габаритные и установочные размеры

Самовосстанавливающиеся предохранители 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.

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.

Устройство и принцип работы самовосстанавливающихся предохранителей

Рассмотрим упрощенную структуру самовосстанавливающегося предохранителя (рис. 2). Конструктивно PPTC состоит из двух электродов, между которыми помещен проводящий графитовый слой с вкраплениями гранул непроводящего полимерного материала. В качестве полимерного материала, как правило, используется полиэтилен.

Рис. 2. Структура и температурная зависимость сопротивления PPTC

При низких температурах полимер находится в компактном кристаллическом состоянии. Между электродами присутствуют сплошные графитовые проводящие каналы. В результате сопротивление самовосстанавливающегося предохранителя оказывается низким (рис. 2, точка 1).

При увеличении температуры, например вследствие нарастания тока через PPTC, наблюдается незначительный рост сопротивления, вызванный тепловыми процессами (рис. 2, точка 2).

При дальнейшем росте тока и разогреве структуры PPTC температура может подняться до граничного значения, при котором полимер начинает переходить из кристаллического состояния в аморфное. Этот переход сопровождается значительным расширением. В результате графитовые каналы разрываются, а сопротивление увеличивается (рис. 2, точка 3). Процесс имеет скачкообразный характер, то есть даже при незначительном превышении граничной температуры наблюдается резкое возрастание сопротивления самовосстанавливающегося предохранителя.

Рост сопротивления приводит к ограничению тока. При этом если аварийное воздействие не прекращается (на выводах сохраняется высокое напряжение), то PPTC продолжает рассеивать значительную мощность и остается в разогретом высокоомном состоянии (рис. 2, точка 4).

После устранения аварии PPTC остывает и возвращается в исходное проводящее состояние.

Таким образом, самовосстанавливающиеся предохранители, по сути, срабатывают не из-за превышения тока, а из-за превышения температуры при саморазогреве. Эта важная особенность приводит к сильной зависимости времени и тока срабатывания от внешних условий. Данные вопросы будут рассмотрены отдельно.

Возможно, вам также будет интересно

Юрий Непочатов Введение Успешное решение задачи создания устройств, потребляющих из сети и выдающих потребителю постоянную активную мощность, и преобразователей, обеспечивающих заданные параметры электроэнергии и электромагнитную совместимость, возможно только с помощью новой элементной базы. Одним из перспективных направлений ее развития являются силовые модули на основе полупроводниковых ключей с использованием различных транзисторов, в частности — мощных полевых

О чем же, собственно, пойдет речь? В техническую литературу и журнальные статьи прокралась калька с английского языка regulated output, и DC/DC-преобразователи стали разделять на просто DC/DC-преобразователи и «регулируемые» DC/DC-преобразователи, или DC/DC-преобразователи «с регулируемым выходом» (в буквальном переводе). Так вот, под ошибочно используемым термином «регулируемые» скрываются DC/DC-преобразователи с петлей, или, правильнее, с контуром регулирующей обратной связи,

Новый драйвер для мощных белых светодиодов от компании MPS.

Заключение

Самовосстанавливающиеся предохранители, или PPTC, являются привлекательной альтернативой обычным плавким предохранителям в широком спектре приложений. Вместе с тем при использовании PPTC следует учитывать их невысокую температурную стабильность, чувствительность к перенапряжениям и деградацию свойств при срабатываниях.

Компания ECE предлагает богатый выбор недорогих самовосстанавливающихся предохранителей, которые могут применяться в промышленном и лабораторном оборудовании, в устройствах с аккумуляторным питанием, компьютерной оргтехнике, стандартных интерфейсах (Ethernet, USB1.1 и USB2.0, IEEE 1394 FireWire), в автомобильных приложениях и других областях.