Самовосстанавливающиеся предохранители. Мифы и реальность. Самовосстанавливающиеся предохранители – инновации в системах защиты аппаратуры Самовосстанавливающийся автомобильный предохранитель
Слышал про самовосстанавливающиеся предохранители, но не знал, с чем их едят. Уже в нескольких мультиметрах встречал их в токовой защите. Решил заказать десяток на пробу. Тем более не так-то и дорого.
Не буду нарушать традиций. Смотрим, в каком виде прислали.
Бумажный пакет, «пропупыренный» изнутри. Предохранители были в пакетике с замком.
Заказал немного, всего десять штук.
Этого более чем достаточно для проведения опытов.
Можете разглядеть более внимательно.
Можно сравнить с привычными размерами.
Чтобы не быть голословным, вот фото из моего обзора про мультиметр Pro"s Kit MT-1232.
Здесь он стоит вместо предохранителя на 400мА. Немного другая марка, но сути не меняет.
А это уже более известный прибор MASTECH MS8268.
А теперь немного теории. Она необходима. Постараюсь кратко, чтобы особо не напрягать. Кому нужны более глубинные знания – интернет вам в помощь.
Самовосстанавливающийся предохранитель - полимерное устройство с положительным температурным коэффициентом сопротивления, применяемое в защите электронной аппаратуры.
Принцип действия предохранителя основан на резком увеличении сопротивления при превышении порогового тока, протекающего через него. Сопротивление в сработавшем состоянии зависит от следующих факторов: типа используемого устройства, приложенного к нему напряжения U и мощности, рассеиваемой на устройстве. После отключения питания (отключения нагрузки, уменьшения напряжения и т. д.) по истечении некоторого времени вновь уменьшает своё внутреннее сопротивление - самовосстанавливается. Увеличение сопротивления сопровождается нагревом предохранителя примерно до 80 градусов по Цельсию.
Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель представляет собой матрицу из непроводящего ток полимера, смешанного с техническим углеродом. В холодном состоянии полимер кристаллизован, а пространство между кристаллами заполнено частицами углерода, образующими множество проводящих цепочек. Если через предохранитель начинает протекать слишком большой ток, он начинает нагреваться, и в какой-то момент времени полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. Из-за этого увеличения углеродные цепочки начинают разрываться, что вызывает рост сопротивления, и предохранитель нагревается еще быстрее. В конце концов сопротивление предохранителя увеличивается настолько, что он начинает заметно ограничивать протекающий ток, защищая таким образом внешнюю цепь. После устранения замыкания, когда протекающий ток снизится до исходного значения, предохранитель остывает и его сопротивление возвращается к начальному значению.
Такие предохранители часто применяются в бытовых ПЭВМ для защиты от перегрузок или КЗ в цепях USB-, FireWire-портов, и других интерфейсах с подводимым питанием.
С теорией закончу. Пора приступать к проведению экспериментов.
Первым делом решил измерить сопротивление предохранителей (температура окружающего воздуха 22,5˚С). Так как всё имеет своё сопротивление, измерил сначала без оных.
Это значение сопротивления буду вычитать.
Сопротивления предохранителей имели разброс. Поэтому сделал среднестатистическую выборку.
Это я сделал не от нечего делать. В некоторых схемах сопротивление предохранителей критично.
Можно сравнить с обычным предохранителем. Нашёл только один на 0,5А немного необычной формы.
Из этого можно сделать простой вывод. Самовосстанавливающийся предохранитель оказывает практически такое же влияние в схеме (в смысле вносимого в цепь сопротивления).
Теперь осталось проверить, при каком токе он всё же срабатывает.
Всё просто. Взял блок питания. Выставил на нём 9В. Перевёл в режим отсечки по току. Стал понемногу прибавлять.
Сработал предохранитель на токе свыше 1А (по паспорту 0,6А). Ток срабатывания точно поймать не смог. Блок питания перешёл в режим отсечки по напряжению и через секунду ток уменьшился.
Это при плавном увеличении тока. Я так полагаю, если нужно защитить схему от КЗ на токе 600мА, мне надо было заказывать на минимум в полтора раза меньший ток. Вот такая печаль.
И, наконец, самый важный в целях безопасности эксперимент. Хотелось узнать, как поведёт себя предохранитель при коротком замыкании в цепи (при резком увеличении тока). Не разорвёт ли его в клочья? Для этих целей я его тупо вставлю в розетку и посмотрю, как он себя поведёт.
Предохранитель припаял к сетевому шнуру, затем засунул в термоусадку, дабы предотвратить последствия от возможного разрушения.
Всё, что получилось, дополнительно засунул в пластиковую бутылку из-под лимонада (перестраховался). Вилку подключил к сети 220В. Результаты краш-теста можно посмотреть на видео.
Результаты меня вполне удовлетворили.
В конце дам табличку по предохранителям.
Это не совсем те, что у меня, но характеристики схожи.
Вот такие предохранители получил. Всё не так однозначно, как мне казалось, когда их заказывал. Предохранители имеют право на жизнь, но полноценно заменить привычные стекляшки с керамикой вряд ли смогут.
Один предохранитель поставил в мультиметр, которым мы чаще всего пользуемся на работе и в котором они частенько горели при малейшем превышении предельного тока.
Что ещё хотел сказать в конце. Номинал самовосстанавливающихся предохранителей каждый должен подобрать сам в соответствии с решаемыми задачами. Технически грамотному человеку это вовсе не сложно. Когда я заказывал предохранители, инфы на Муське про них совсем не было. У вас она теперь есть. Смотрите на таблицу, изучайте результаты экспериментов и заказывайте то, что считаете более подходящим под ваши задачи.
На этом ВСЁ!
Удачи! Планирую купить +116 Добавить в избранное Обзор понравился +153 +278
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 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.
Самовосстанавливающиеся предохранители являются миниатюрной альтернативой традиционным громоздким предохранителям. Они обеспечивают безупречную защиту компьютерной и портативной техники, батарейных устройств, автомобильной электроники. Широкий выбор этих изделий предлагает компания Bourns.
Наиболее распространенной и стандартной защитой электронных устройств от возникновения аварийных ситуаций является применение предохранителей. По принципу действия они делятся на четыре группы: плавкие, самовосстанавливающиеся, электронные и электромеханические . Вместо традиционных плавких вставок с каждым годом все шире используются миниатюрные самовосстанавливающиеся предохранители. Эти устройства по аналогии с обычными предохранителями подключаются последовательно с нагрузкой (рисунок 1), но их эксплуатация имеет ряд особенностей.
Самовосстанавливающиеся предохранители – это устройства, ограничивающие ток в цепи, но в отличие от обычных плавких вставок, не утрачивающие работоспособность после срабатывания. Как правило, под самовосстанавливающимися предохранителями подразумеваются PPTC-термисторы.
PPTC (Polymeric positive temperature coefficient device) – полимерные устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Впервые такие устройства были открыты, описаны и запатентованы компанией Bell Labs в 1939 году (патент номер US#2,258,958) .
Принцип работы PPTC-предохранителя основан на способности полимера изменять проводящую структуру при нагревании). На рисунке 2 показана идеализированная кривая зависимости логарифма сопротивления от температуры предохранителя. При комнатной температуре полимер имеет кристаллическую структуру, так что движение заряженных частиц происходит упорядоченно, и ток в цепи определяется рабочим значением сопротивления нагрузки RL (рисунок 1). В случае возникновения аварийной ситуации ток в цепи резко увеличивается, нагревая полимер. При определенной температуре происходит срабатывание предохранителя, а именно – меняется фазовое состояние полимера из кристаллического в аморфное (рисунок 3). В результате сопротивление термистора резко возрастает, и ток в цепи теперь определяется значением сопротивления RMF.
Области применения
PPTC-предохранители прекрасно зарекомендовали себя как непременные элементы защиты в необслуживаемых устройствах с возможностью возникновения многократных перегрузок по току и устройствах, где замена плавкой вставки является проблематичной. Особенно актуальна защита с применением PPTC-предохранителей в разъемах электроники, где цепи питания могут замкнуться из-за внешнего воздействия и привести к перегрузке по току. Иными словами, сфера применения таких предохранителей включает в себя компьютеры и мобильные устройства (телефоны, планшеты, плееры), трансформаторы, звуковоспроизводящую технику, электромоторы, элементы питания, медицинское и измерительное оборудование, автомобильную электронику и телекоммуникационные сети.
Существует множество стандартов, в которых регламентируется необходимость защиты от токовых перегрузок. Например, стандарты PC 97, PC 98, PC 99 и PC 2001, которые разработаны совместно Microsoft и Intel для IBM-совместимых компьютеров; USB OTG (разработан USB Implementers Forum, Inc.); Telcordia GR-1089-CORE для защиты интерфейса абонентской линии или EN60742 для защиты трансформатора. Требования перечисленных стандартов можно успешно выполнить, используя PPTC-предохранители серий MULTIFUSE® производства Bourns.
Технические характеристики
Так как самовосстанавливающиеся предохранители имеют ярко выраженный положительный температурный коэффициент сопротивления, их характеристики зависят от температуры окружающей среды. Для срабатывания PPTC-предохранитель должен нагреться, поэтому переключение происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое зависит не только от температуры окружающей среды, но и от протекающего через предохранитель тока перегрузки. Предохранитель остается в «горячем» состоянии, обеспечивая постоянную защиту до тех пор, пока находится под напряжением или пока не будут устранены причины его срабатывания. После устранения причин выключения предохранитель охлаждается и его сопротивление со временем возвращается к номинальному значению.
С учетом вышесказанного для самовосстанавливающихся предохранителей можно выделить основные характеристики.
Ток пропускания , Ihold at 23°C, – это номинальный рабочий ток, то есть максимальный установившийся ток при температуре 23°C, не приводящий к срабатыванию предохранителя, а именно – к переходу из проводящего состояния в разрывное.
Ток срабатывания , Itrip at 23°C, – минимальный ток, приводящий к обязательному срабатыванию предохранителя при температуре 23°C.
Максимально допустимый ток срабатывания , Imax, – ток, который может быть прерван предохранителем при возникновении перегрузки без опасности разрушения самого защитного элемента.
Максимальное рабочее напряжение , Vmax, – это максимально допустимое напряжение, не приводящее к разрушению предохранителя при номинальном токе пропускания.
Время срабатывания , Time to Trip или ttrip at 23°C, – период времени после возникновения перегрузки (дополнительно указывается ток срабатывания Itrip, при котором происходило измерение времени, в течение которого падение напряжения на предохранителе станет больше 80% от величины напряжения питания защищаемой цепи, то есть сопротивление элемента станет значительно выше.
Мощность рассеяния , Tripped Power Dissipation или РD at 23°C, – мощность, рассеиваемая корпусом предохранителя при температуре 23°C.
Первоначальное сопротивление , Initial Resistance Rmin или Rmax at 23°C, – сопротивление предохранителя при указанных условиях перед его подключением в схему.
Сопротивление через час после срабатывания , One Hour Post-Trip Resistance или R1max at 23°CC - максимальное сопротивление предохранителя при температуре 23°C через 1 час после его срабатывания или пайки оплавлением.
В последние годы самовосстанавливающиеся предохранители стали чрезвычайно популярными изделиями, и все ведущие производители компонентов защиты цепей, среди которых TE Connectivity (Raychem), LittleFuse и, конечно же, Bourns, имеют их в своем портфеле. PPTC-предохранители производства компании Bourns семейства Multifuse® (рисунок 4) уже довольно широко известны на российском рынке, но разнообразие серий и исполнений вызывает некоторое замешательство у тех, кто только планирует использовать их в своих изделиях. Мы постараемся рассмотреть самые перспективные и применяемые серии этих предохранителей.
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 |
| 1,2…4,2 | 2,7…7,6 | 15…30 | -40…85 | |
| 1,9…9 | 3,9…16,7 | 15…20 | -40…85 | |
| 1,8…3,4 | 3,8…6,8 | 15…24 | -40…85 | |
| 1,85…3 | 3,7…5,2 | 6…33 | -40…85 | |
| 0,55…2 | 1,2…4 | 10…60 | -40…85 | |
| 0,1…2,6 | 0,3…5,2 | 6…60 | -40…85 | |
| 0,05…1,75 | 0,15…3,5 | 6…30 | -40…85 | |
| 1,75…3,8 | 3,5…8 | 6 | -40…85 | |
| 0,12…2 | 2,29…4 | 6…30 | -40…85 | |
| 1,5…4 | 3…8 | 6 | -40…85 | |
| 0,1…1,1 | 0,3…2,2 | 6…15 | -40…85 | |
| 0,1 | 0,6 | 16 | -40…125 | |
| 0,1…0,5 | 0,3…1 | 6…15 | -40…85 | |
| 0,3…3 | 0,6…6 | 6…30 | -40…85 | |
| 1,36…1,6 | 2,72…3,2 | 16 | -40…125 | |
| 0,13 | 0,26 | 60 | -40…85 | |
| 0,13 | 0,26 | 60 | -40…85 | |
| 0,13 | 0,26 | 60 | -40…85 |
Таблица 2. Характеристики выводных предохранителей Multifuse®
| Наименование | Ihold, А | Itrip, А | Vmax, В | Диапазон рабочих температур, °C |
| 0,05…11 | 0,1…22 | 16…60 | -40…85 | |
| 0,7…13 | 1,4…24 | 16 | -40…125 | |
| 0,05…0,55 | 0,12…1,25 | 240 (AC) | -20…85 | |
| 0,2…3,75 | 0,4…7,5 | 72 | -40…85 | |
| 0,55…0,75 | 1,1…1,5 | 90 | -40…85 | |
| 0,12…0,18 | 0,24…0,36 | 250 (AC) | -40…85 | |
| 0,15…0,16 | 0,3…0,32 | 600 (AC) | -40…85 |
Расшифровка наименования PPTC-предохранителей серии Multifuse
Наименования моделей предохранителей имеют удобную и понятную структуру, позволяющую легко расшифровать основные рабочие параметры. В общем случае название имеет вид MF – UUUU ZZZ/YY X – V.
- MF – сокращение от названия серии Multifuse;
- UUUU – серия предохранителя:
- MSMF, NSMF, PSMF, USMF, SM – планарные;
- R, RG, RM – радиальные выводные;
- S, SVS, VS, VSN – аксиальные выводные.
Названия серий, оканчивающиеся на буквы HT, обозначают расширенный рабочий температурный диапазон. Например, для серии SMHT температура работы находится в диапазоне -40…125°C, а для серии SM – -40…85°C.
- ZZZ – ток пропускания через предохранитель (Ihold). Например, значение 030 соответствуют току 0,3 А, а число 300 – 3 А;
- YY – максимальное напряжение (Vmax). Если на месте «YY» стоит пропуск, то следует принимать стандартное напряжение для данной серии, а его значение необходимо уточнить в соответствующем описании;
- X – отметка о применении при изготовлении технологии FreeXpansion Design™, которая значительно увеличивает стабильность параметров полимера с положительным температурным коэффициентом при многократных срабатываниях;
- V – требование к упаковке:
- V = 0 – элементы без упаковки;
- V =2 – предохранители поставляются в лентах, накрученных на катушки (этот вариант целесообразен для линии автоматического монтажа).
Например, модель MF-MSMF 250/16 X-2 подразумевает, что используется PPTC-предохранитель типа Multifuze производства Bourns планарной серии MSMF с током пропускания 2,5 А при 23°C и максимальным напряжением 16 В. Буква «Х» обозначает, что при изготовлении применялась технология FreeXpansion Design™. Цифра «2» обозначает упаковку в катушках по 1500 штук в каждой.
Алгоритм подбора PPTC-предохранителя
При выборе самовосстанавливающегося PPTC-предохранителя необходимо определить следующие параметры:
- номинальный ток пропускания через предохранитель (Ihold);
- максимальное напряжение, которое может быть приложено к PPTC-предохранителю (Vmax);
- максимальный аварийный ток (Imax);
- максимальная рабочая температура вашего устройства;
- форм-фактор корпуса предохранителя.
Обратим внимание, что при выборе предохранителя критически важно учитывать зависимость тока пропускания Ihold от окружающей температуры. Для каждой серии предохранителей существуют таблицы поправочных коэффициентов, позволяющие избежать случайных срабатываний (таблица 3).
Таблица 3. Зависимость тока пропускания Ihold от температуры окружающей среды для серии MF-MSMF
| Наименование | Ihold, А | ||||||||
| Температура окружающей среды, °C | |||||||||
| -40 | -20 | 0 | 23 | 40 | 50 | 60 | 70 | 85 | |
| 0,16 | 0,14 | 0,12 | 0,1 | 0,08 | 0,07 | 0,06 | 0,05 | 0,03 | |
| 0,23 | 0,19 | 0,17 | 0,14 | 0,12 | 0,1 | 0,09 | 0,08 | 0,06 | |
| 0,29 | 0,26 | 0,23 | 0,2 | 0,17 | 0,15 | 0,14 | 0,12 | 0,1 | |
| 0,29 | 0,26 | 0,23 | 0,2 | 0,17 | 0,15 | 0,14 | 0,12 | 0,1 | |
| 0,44 | 0,39 | 0,35 | 0,3 | 0,26 | 0,23 | 0,21 | 0,18 | 0,15 | |
| 0,77 | 0,68 | 0,59 | 0,5 | 0,44 | 0,4 | 0,37 | 0,33 | 0,29 | |
| 1,15 | 1,01 | 0,88 | 0,75 | 0,65 | 0,6 | 0,55 | 0,49 | 0,43 | |
| 1,15 | 1,01 | 0,88 | 0,75 | 0,65 | 0,6 | 0,55 | 0,49 | 0,43 | |
| 1,59 | 1,43 | 1,26 | 1,1 | 0,95 | 0,87 | 0,8 | 0,71 | 0,6 | |
| 1,59 | 1,43 | 1,26 | 1,1 | 0,95 | 0,87 | 0,8 | 0,71 | 0,6 | |
| 2 | 1,7 | 1,4 | 1,1 | 0,95 | 0,88 | 0,8 | 0,73 | 0,61 | |
| 1,8 | 1,63 | 1,43 | 1,25 | 1,08 | 0,99 | 0,91 | 0,81 | 0,68 | |
| 2,17 | 1,95 | 1,72 | 1,5 | 1,3 | 1,18 | 1,09 | 0,97 | 0,82 | |
| 2,1 | 1,9 | 1,7 | 1,5 | 1,25 | 1,13 | 1 | 0,88 | 0,69 | |
| 2,3 | 2,2 | 1,9 | 1,6 | 1,45 | 1,3 | 1,15 | 1,03 | 0,91 | |
| 3,08 | 2,71 | 2,35 | 2 | 1,8 | 1,6 | 1,5 | 1,4 | 1,25 | |
| 3,9 | 3,42 | 2,96 | 2,5 | 2,24 | 1,98 | 1,85 | 1,29 | 0,94 | |
Примеры использования
Рассмотрим задачу создания защиты электронных устройств от возникновения аварийных ситуаций при питании портативного устройства от USB 2.0. Ток потребления от шины питания USB не должен превышать 500 мА . Допустим, что эксплуатация устройства происходит при экстремальной температуре 70°C. Напряжение питания USB лежит в диапазоне 4,4…5,25 В. Обратившись к документации, выберем модели с подходящим максимальным рабочим напряжением (в данном случае – 6 В). В перечень таких моделей попадут MF-MSMF110, MF-MSMF125, MF-MSMF150 и другие. Теперь проверим, подойдут ли они по току удержания (Ihold), с учетом поправки на высокую температуру окружающей среды. Обратившись к таблице 3, мы видим, что для нашей задачи и по этому параметру подходит любой из перечисленных предохранителей, время срабатывания, однако, будет несколько отличаться. Стоит заметить, что протекание тока 0,5 А через Multifuse не вызывает нагрева самого устройства, так как выделяющаяся мощность и падение напряжения пренебрежимо малы. Типовая схема организации защиты USB-порта изображена на рисунке 5.
Для защиты от электростатических разрядов рекомендуется ставить варисторы CG0603MLC-05E семейства Chip Guard или двунаправленные TVS-диоды (супрессоры) CDSOD323-T05C. В соответствии со стандартом техники безопасности UL60950 порт должен выдержать короткое замыкание в течении 60 секунд без возгорания.
Другой пример – светодиодное освещение. Драйвер, он же источник питания, со стабилизацией выходного тока должен быть рассчитан на область безопасной работы светодиодной нагрузки. Наиболее часто такие устройства выполняют с помощью высокочастотного ШИМ-контроллера с обратной связью по току, протекающему через светодиоды. Хорошо известно, что светодиоды очень чувствительны к перегреву. Для нормального времени жизни и надежной работы температура p-n-перехода не должна превышать 85°С. Компания Bourns рекомендует применять устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления совместно со светодиодами для защиты последних от перегрева.
На рисунке 6 изображена комплексная защита светодиодного светильника совместно с ключевым источником питания . Основываясь на конкретных требованиях проекта, параметры представленных компонентов нужно корректировать. Для температурной и токовой защиты предлагается использовать миниатюрную серию MF-MSMF. Например, Multifuse MF-MSMF075 (Ihold = 0,75 А, Vmax = 13,2 В) переходит из проводящего состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением за 0,2 секунды при аварийном токе Itrip = 8 А и температуре предохранителя, равной 23°C.
Помимо самовосстанавливающегося предохранителя, компания Bourns® предлагает использовать в светодиодных устройствах высокоточные резисторы с низким температурным коэффициентом (75 PPM) и мощностью рассеивания до 3 Вт в качестве датчика тока (например, серия CRA2512) в стандартном корпусе 2512, компактные индуктивности (серия SRU1048) для планарного монтажа с высотой менее 4,8 мм при токах до 7,8 А, а также диоды Шоттки (серия CD1005-B0520) с обратным напряжением до 30 В.
Чтобы устройство соответствовало стандартам IEC6100-4-5 Surge (защита от скачков напряжения), IEC6100-4-4 EFT (устойчивость к быстрым переходным процессам), IEC6100-4-2 Level 4 ESD (устойчивость к электромагнитным воздействиям), рекомендуется применять супрессоры (TVS-диоды) серии SMAJ c напряжением 5…179 В и рассеиваемой мощностью до 400 Вт.
Стоит уделить особое внимание самовосстанавливающимся предохранителям серии MF-RM. Специально разработанные для однофазной сети переменного тока c номинальным напряжением 220 В самовосстанавливающиеся предохранители Multifuse производства Bourns позволяют отказаться от применения дорогостоящих входных автоматических выключателей или плавких вставок. Серия MF-RM отлично показала себя в роли токовой защиты и защиты от перегрева в таких областях применения, как счетчики электрической энергии, электрические вентиляторы, кофемашины и другая кухонная техника, а также во всевозможных адаптерах переменного тока . Время срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей серии MF-RM существенно меньше, чем у автоматических выключателей и плавких вставок. На рисунке 7 показана схема организации защиты устройств, подключаемых к однофазной сети переменного тока. Совместно с предохранителем серии MF-RM рекомендуется использовать варистор серии MOV-10DxxxK для защиты нагрузки от возможных скачков напряжения в сети.
Cамовосстанавливающиеся предохранители обладают рядом интересных преимуществ:
- Быстрое срабатывание. Компоненты PPTC имеют меньшую теплоемкость по сравнению с другими решениями, и нагреваются быстрее. В результате они быстрее срабатывают.
- Меньший размер. Компоненты PPTC занимают меньше места на плате, их легче интегрировать в изделие.
- Комбинированная защита от превышения тока или перегрева устройства. Удобство разработки заключается в том, что в одном корпусе PPTC-предохранителя совмещаются защиты и от превышения порогового тока, и от тепловой перегрузки, что позволяет сэкономить на себестоимости конечного продукта.
- Стабильная защита. Компоненты PPTC гарантируют разрыв цепи на протяжении всего времени отказа системы.
- Отсутствие необходимости в обслуживании. Работа схемы возобновится после устранения перегрузки по току и при остывании предохранителя, не требуя вмешательства обслуживающего персонала. Не нужно менять плавкую вставку или вручную включать автоматический выключатель!
Заключение
Проблема максимальной экономии пространства на плате остро ставит вопрос о минимизации габаритов компонентов защиты. Самовосстанавливающиеся предохранители прекрасно вписываются в эту концепцию, являясь миниатюрной альтернативой традиционным громоздким предохранителям, обеспечивая безупречную защиту компьютерной и портативной техники, батарейных устройств, автомобильной электроники. Иными словами, везде, где присутствует источник питания и нагрузка, целесообразно применение PPTC-предохранителя. Компания КОМПЭЛ, получившая статус официального дистрибьютора Bourns, предлагает широкую номенклатуру PPTC со склада и под заказ, а также техническую поддержку, бесплатные образцы и проектные поставки по специальным ценам.
Литература
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_предохранитель
- https://en.wikipedia.org/wiki/Resettable_fuse
- http://www.usb.org/developers/presentations/pres0500/Hosler_USB_PM.ppt
- http://bretford.com/resources/downloads/brochures/UL%20White%20Paper.pdf
- https://www.bourns.com/data/global/pdfs/Bourns_CPK1173_LED_Lighting_AppNote.pdf
- https://www.bourns.com/data/global/pdfs/Bourns_CP_Smart_Meter_Power_Comm_White_Paper.pdf.
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.
Добрый день читатели сайта Популярная электроника! Сегодня в этой рубрике я хотел бы подробнее поговорить о так называемых самовосстанавливающихся предохранителях, которые в последнее время широко используются в различной аппаратуре, бытовой технике, системах защиты электроприборов от перенапряжения и перегревания и прочих электронных устройствах.
Почему это так важно для домашнего электромастера? Поясню. Дело в том, что при ремонте люстры, выключателя или диммера , внутри электрической цепи этих приборов вполне может обнаружиться самовосстанавливающийся предохранитель, который сработал в силу каких-то условий и разомкнул цепь. В результате цепь люстры или светорегулятора не прозванивается ни тестером, ни пробником и индикатором , и мы начинаем думать, что прибор вышел из строя и его надо менять. На самом деле все может оказаться проще и поломку можно будет устранить за несколько минут, не тратя при этом средства на покупку новой люстры или выключателя.
На самом деле самовосстанавливающийся предохранитель защищает устройство не от перенапряжения (резкого повышения электрического напряжения в бытовой сети), а от сильного скачка тока. Об этом можно также узнать и в блоге электрика (http://aprolex.by/blog.html). И эту функцию в принципе делают и обычные плавкие предохранители, но они не восстанавливаются после сработки, а просто перегорают.
В самовосстанавливающемся предохранителе при превышении номинального тока сильно возрастает его электрическое сопротивление , и ток в свою очередь практически прекращает течь. По истечению какого-то времени сопротивление предохранителя снова приходи в норму и прибор становится снова полностью работоспособным. Как правило, это несколько минут. Вот это время и стоит подождать, чтобы начать разбираться в причинах поломки.
Но такие предохранители не всегда спасают аппаратуру от выхода из строя. Скачок тока может быть настолько большим, что предохранитель не успевает сработать и следующие по цепи элементы самого прибора выходят из строя. Бывает так, что самовосстанавливающийся предохранитель все же срабатывает вовремя, но при этом сам перегорает. Это можно выяснить при помощи любого мультиметра, включенного в режим прозвонки цепи.
В этом случае ремонт прибора или аппаратуры заключается в замене перегоревшего самовосстанавливающегося предохранителя. Но чтобы его заменить именно на тот, который предусмотрен схемой прибора, необходимо установить технические параметры старого предохранителя. Они, как правило, указываются на его корпусе.
Основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей:
- Рабочее 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.
