Самовосстанавливающийся предохранитель принцип работы

Самовосстанавливающиеся предохранители

Принцип работы обычного плавкого предохранителя основан на тепловом действии электрического тока. В керамическую или стеклянную колбу помещается тонкий медный провод, который перегорает, когда проходящий через него ток вдруг превышает некоторое, заранее определенное, значение. Это влечет за собой необходимость замены такого предохранителя на новый.

Самовосстанавливающиеся предохранители, в отличие от обычных плавких предохранителей, могут срабатывать и восстанавливаться многократно. Такие самовосстанавливающиеся предохранители часто используются в компьютерах и игровых приставках для защиты USB и HDMI портов, а также для защиты аккумуляторных батарей в портативной технике.

Суть в следующем. Непроводящий кристаллический полимер содержит введённые в него мельчайшие частицы технического углерода, которые распределены по объёму полимера так, что свободно проводят электрический ток. На тонкий лист пластика напылены токоведущие электроды, которые распределяют энергию по всей площади элемента. К электродам прикреплены выводы, служащие для включения элемента в электрическую цепь.

Особенностью такого проводящего пластика является высокая нелинейность положительного температурного коэффициента сопротивления (ТКС), что и служит для защиты цепи. После того, как ток превысит определенное значение, элемент нагреется, и сопротивление проводящего пластика резко увеличится, а это приведет к разрыву электрической цепи, куда включен элемент.

Превышение температурного порога приводит к трансформации кристаллической структуры полимера в аморфную, и цепочки технического углерода, по которым проходил ток, теперь разрушаются – сопротивление элемента резко возрастает.

Рассмотрим основные характеристики самовосстанавливающихся предохранителей.

1. Максимальное рабочее напряжение – напряжение, которое может выдержать предохранитель без разрушения, при условии протекания через него номинального тока. Обычно, это значение лежит в пределах от 6 до 600 вольт.

2. Максимальный ток, не приводящий к срабатыванию, номинальный ток самовосстанавливающегося предохранителя. Бывает обычно от 50мА до 40 А.

3. Минимальный ток срабатывания – значение тока, при котором проводящее состояние переходит в непроводящее, т.е. значение тока, при котором цепь размыкается.

4. Максимальное и минимальное сопротивление. Сопротивление в рабочем состоянии. Желательно выбирать элемент с наименьшим значением этого параметра из доступных, чтобы на нем не терялась лишняя мощность.

5. Рабочая температура (обычно от -400 С до +850 С).

6. Температура срабатывания, или по другому – температура «защелкивания» (обычно от +1250 С и выше).

7. Максимально допустимый ток – максимальный ток короткого замыкания при номинальном напряжении, который может выдержать элемент без разрушения. Если этот ток будет превышен, то предохранитель просто сгорит. Обычно это значение измеряется десятками ампер.

8. Скорость срабатывания. Время нагрева до температуры срабатывания составляет долю секунды, и зависит от тока перегрузки и температуры окружающей среды. В документации на конкретную модель эти параметры указываются.

Самовосстанавливающиеся предохранители выпускаются как в корпусах для монтажа в отверстия, так и в SMD корпусах. По внешнему виду такие предохранители напоминают варисторы или SMD резисторы, и широко применяются в цепях защиты различных электрических устройств.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

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 0 C. R_min и R_1max обычно указывается более просто, например, так: R = 0,5…1,17 (Ом).

На самом деле это очень важный параметр. Чем он меньше, тем лучше, так как предохранитель всегда включается последовательно с потребителем тока (перед нагрузкой). А, как известно, на сопротивлении теряется мощность. Для приборов, питающихся от автономных источников питания (аккумуляторов, батареек) лучше подбирать СП с малым сопротивлением в рабочем состоянии.

Рабочая температура самовосстанавливающегося предохранителя обычно лежит в интервале от -40 0 С до +85 0 С. При такой температуре сопротивление СП практически не меняется и лежит в пределах R_min – R_max. Температура «защёлкивания», или по-другому, срабатывания обычно составляет от +125 0 С и выше.

Ещё один параметр. Максимальный допустимый ток (I_max, A). Это максимальный ток короткого замыкания, который выдерживает самовосстанавливающийся предохранитель без разрушения при номинальном напряжении (V_max). Если ток через СП превысит величину I_max, то он выйдет из строя навсегда (на деле – «сгорит»). Обычно величина этого параметра лежит в интервале нескольких десятков ампер (40 – 100 A).

Также очень важный параметр – это скорость срабатывания СП (Max. Time to Trip). Так как на нагрев требуется некоторое время, то предохранитель срабатывает не мгновенно, а спустя какое-то время. Оно достаточно мало и составляет долю секунды. Время срабатывания зависит от тока перегрузки и температуры окружающей среды. Такие параметры, как время срабатывания указываются в документации на конкретную модель самовосстанавливающегося предохранителя.

Самовосстанавливающиеся предохранители выпускаются как в обычных корпусах для монтажа в отверстия (технология THT), так и для поверхностного (технология SMT). СП для монтажа в отверстия внешне выглядят как варисторы и имеют либо дисковый корпус, либо прямоугольный.

СП для поверхностного монтажа похожи на SMD резисторы, но могут иметь и другой корпус (как правило, в виде пластинки с ленточными выводами).

Самовосстанавливающиеся предохранители выпускают такие фирмы, как Bourns и Fuzetec.

Пример применения.

Примером применения самовосстанавливающегося предохранителя может быть использование его в блоке питания, о котором рассказывалось на страницах сайта.

В нем самовосстанавливающийся предохранитель используется совместно с другими элементами защиты. Срабатывание защиты не влечёт за собой необратимое перегорание предохранителя, и устройство начинает работать сразу же после устранения неисправности или короткого замыкания в питаемой схеме.

Самовосстанавливающиеся предохранители

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.

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.

Основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей

• Hабочее напряжение. Оно показывает, при каком напряжении в сети предохранитель может работать достаточно долгое время, не выходя из строя. Как правило, в прибор ставится предохранитель с немного большим рабочим напряжением, чем то, на которое рассчитан сам прибор.
• Номинальный рабочий ток. Это максимальное значение тока через предохранитель, при котором он нормально работает, не срабатывая (не размыкая цепи).
• Ток срабатывания. Это минимальный ток, при котором самовосстанавливающийся предохранитель сработает. Этот параметр очень важен, так как от него напрямую зависит надежность защиты прибора или аппаратуры. Если заменить на меньшее значение, предохранитель станет чаще срабатывать (давать ложные сработки), если на большее – он не сработает в нужный момент и аппаратура может выйти из строя.
• Максимальный ток , который может выдержать предохранитель, не выходя из строя.
• Рабочая температура.
• Максимальное и минимальное сопротивление. Первое значение указывает сопротивление предохранителя, когда он сработал, а второе – в нормальном состоянии.
• Скорость срабатывания. Чем меньше это время, тем лучше.

Как правило, на самом самовосстанавливающемся предохранителе указывается только рабочее напряжение, температура и ток срабатывания – это самые важные параметры. Остальные можно посмотреть в справочнике в Интернете. 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.

Структура ЖСП.

Самовосстанавливающиеся предохранители компании Littelfuse

Littelfuse 250R120T 250S130 0805L100 30R110 30R160

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) [1-3].

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.

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.

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.

Рис 2.	Времятоковые характеристики 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 [1-4]. 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.

В Табл. 2 приведены параметры полимерных предохранителей серии 0805L, в Табл. 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.

Рис 3.	Зависимость номинальных параметров от температуры для предохранителей разного типа.

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.

Рис 4.	Варианты использования полимерных предохранителей.

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 [1-3].

Инструменты пользователя

• Зарегистрироваться
• Войти

Инструменты сайта

• Media Manager
• Все страницы

Боковая колонна

Группы Юнитех

Присоединяйтесь к Юнитех в социальных сетях: группа Вконтакте и страница в Facebook.

Сортировка по релевантности

Содержание

Предохранитель

Определение

Предохранитель — это электрический компонент, выполняющий защитную функцию.

Назначение

Защита электрической цепи от короткого замыкания и перегрузки. 1)

Конструкция

Выделяют следующие разновидности предохранителей:

Плавкий предохранитель называется так потому, что в его основе лежит плавкая вставка. Эта плавкая вставка состоит из сплава, который имеет низкую температуру плавления и при возникновении тока опасного для цепи, количества теплоты которое выделяется при протекании такого тока через эту вставку достаточно, чтобы её расплавить. Когда вставка расплавляется — “перегорает”, то цепь оказывается разомкнутой. 2)

Автоматический выключатель (также автомат защиты, автомат) состоит из множества компонентов, к основным из которых можно отнести рычаг для включения-отключения, подвижный и неподвижный контакты, осуществляющие коммутацию цепи, а также механизм расцепления автомата. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным. Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Электромагнитный расцепитель (отсечка) — расцепитель мгновенного действия, представляет собой соленоид, подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. 3)

Самовосcтанавливающийся предохранитель изготавливается из специального проводящего пластика, который 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. 4)

Принцип действия

Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает электрическую цепь при превышении номинального тока – тока, на который рассчитан предохранитель. 5)
Номинальный ток – наибольший допустимый по условиям нагрева токопроводящих частей и изоляции ток, при котором оборудование может работать неограниченно длительное время.
Номинальный ток является одним из основных параметров практически любого электрооборудования (предохранителей, выключателей, трансформаторов, ЛЭП, шин и т. д.) и указывается в его паспорте и/или на самих деталях. 6)
Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А; международное: A). 7)

Плавкий предохранитель. Плавкий предохранитель устроен 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. 8)

Автоматический выключатель. При превышении номинального значения рабочего тока автомата защиты один из расцепителей (тепловой или магнитный) приводит в действие механизм расцепления, который, в свою очередь, воздействует на пружину, отводящую подвижный контакт, после чего происходит разрыв электрической цепи. Для включения автомата защиты, находящегося в расцепленном положении, механизм должен быть взведен посредством перемещения рычага взвода автомата в соответствующее положение.

Самовосстанавливающийся предохранитель. Принцип действия основан на резком увеличении сопротивления при превышении порогового тока, протекающего через него. После отключения питания (отключения нагрузки, уменьшения напряжения и т. д.) по истечении некоторого времени внутреннее сопротивление проводящего пластика вновь уменьшается — предохранитель самовосстанавливается. Увеличение сопротивления сопровождается нагревом предохранителя примерно до 80 градусов по Цельсию. После устранения замыкания, когда протекающий ток снизится до исходного значения, предохранитель остывает и его сопротивление возвращается к начальному значению. 9) Таким образом, срабатывание защиты не влечёт за собой необратимое перегорание предохранителя, и устройство начинает работать сразу же после устранения неисправности или короткого замыкания в питаемой схеме.

Применение

Предохранители применяются в электрических цепях для защиты электрооборудования с различной величиной напряжения. Например, плавкие предохранители используются для защиты силовых трансформаторов на подстанциях. Автоматические выключатели распространены в жилищном строительстве. Они устанавливаются на линию фазы и препятствует превышению тока в связи с подключением слишком большой нагрузки внутри квартиры. Также предохранители используются и в машиностроении для обеспечения защиты электрических цепей станков. Самовосстанавливающиеся предохранители применяются в слаботочных низковольтных цепях. Такие предохранители часто применяются в бытовых ПЭВМ для защиты от перегрузок или короткого замыкания в цепях USB-, FireWire-портов и других интерфейсах с подводимым питанием. 10) 11)

Современный автомобиль оборудован огромным количеством деталей, работающих благодаря электронике. Но все они подвержены риску получить повреждения, из-за короткого замыкания в проводке. Для предотвращения такой ситуации используются предохранители. Для удобства все предохранители размещаются в одном или двух блоках. Автомобильные предохранители различаются по номиналу, выраженному в Амперах. В зависимости от этого производители используют различные цвета пластмасс. Наиболее широко используемые предохранители – плавкие штекерные (ножевые). Такой предохранитель представляет собой проволоку из сплава олова со свинцом или медью. Сечение проволоки определяет максимальное значение тока, на которое рассчитан предохранитель. Предохранитель подключается к электрической цепи того или иного прибора. Ток, который питает этот прибор, проходит через проволоку. При резком возрастании силы тока при коротком замыкании, проволока моментально перегревается и плавится. Как следствие этого, происходит обрыв электрической цепи, и соответствующий прибор обесточивается. 12)

Правильный выбор автомата защиты — это основа бесперебойной, а главное безаварийной работы электросети квартиры. Бытовой автомат защиты предназначен для защиты электропроводки от перегрузки и токов короткого замыкания. Перегрузка сети — это включение в цепь такое количество бытовых приборов, что их суммарная мощность приведет к такому току в сети, который будет греть провода сети и контактные соединения. Номинал автомата защиты по току должен быть равен или больше максимально возможного тока нагрузки, то есть того тока, при котором все приборы включены в цепь. 13)

В блоке питания 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. 14)

Самовосстанавливающиеся предохранители Littelfuse, Bourns

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.

Рекомендации по применению самовосстанавливающихся предохранителей

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.