3.3 Самовосстанавливающиеся предохранители (Resettable Fuses)

Самовосстанавливающийся предохранитель представляет собой полимерный PTC (Positive Temperature Coefficient) нелинейный термистор — компонент, защищающий изделие от повреждений при превышения тока и подключаемый последовательно к защищаемой им схеме.

РРТС защищает электрическую схему посредством изменения его низкого сопротивления на высокое при воздействии повышенного тока (overcurrent). Эта функция предохранителя с резким скачком сопротивления называется tripping (срабатывание). PTC, как правило, имеет сопротивление, существенно более низкое по сравнению с сопротивлением защищаемой им электрической цепи, и поэтому в обычных условиях не влияет на нормальное функционирование схемы. При превышении тока происходит резкий рост сопротивления (tripping) РТС-элемента, снижающего ток в цепи до значения, приемлемого для поддержания безопасной работы схемы. При устранении неисправности или отключении нагрузки, когда протекающий ток снизится до исходного значения, предохранитель остывает и его сопротивление снижается, приближаясь к своему начальному значению. Материал предохранителя состоит из смеси непроводящего полимера и проводящих углеродных частиц. При нормальной температуре (в холодном состоянии) полимер кристаллизован, а пространство между кристаллами заполнено этими частицами, создающими ряд проводящих цепочек с низким сопротивлением (рис. 3.4а). Если через предохранитель начинает протекать слишком большой ток, кристаллы полимера при нагревании распадаются и полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. В результате этого углеродные цепочки разрываются (рис. 3.4б), что вызывает нелинейно резкий рост сопротивления на несколько порядков и заметное ограничение протекающего тока до величины, безопасной для всех элементов схемы, а при коротких замыканиях приводит к разрыву защищаемой цепи. Такое состояние будет сохраняться до устранения неисправности и возвращения схемы к нормальному функционированию.

Рис. 3.4а	Рис. 3.4б

Данный процесс является обратимым, и при охлаждении полимер возвращается в прежнее состояние с кристаллической структурой, а углеродные частицы вновь становятся токопроводящими. Функционирование РРТС можно проследить по кривой (рис. 3.5) зависимости его сопротивления от температуры нагрева.

Точки 1 и 2 относятся к функционированию схемы при небольших изменениях тока и, соответственно, низкой температуре, когда нагревание компонента при функционировании и его тепловыделение сбалансированы. Увеличение тока с нагревом I²R, или от окружающей температуры, или под воздействием обоих факторов приведет предохранитель к температуре, при которой его сопротивление мгновенно увеличивается (точка 3). Переход от низкого сопротивления к высокому считается точкой срабатывания (trip point). Любое дальнейшее увеличение тока или температуры приводит к значительному нагреву, который не может быть рассеян корпусом предохранителя. На этой стадии очень резкое увеличение сопротивления происходит при незначительном изменении температуры, между точками 3 и 4. Это область нормального функционирования предохранителя в состоянии его срабатывания и снижения тока в цепи из-за резко увеличенного сопротивления. Данное состояние будет сохраняться до тех пор, пока приложенное напряжение остается на прежнем уровне. При снижении напряжения (после устранения неисправности или снижения тока) предохранитель охлаждается и возвращается в исходное состояние. Такие циклы защиты могут повторяться неоднократно.

На рис. 3.6 показаны две кривые функционирования предохранителя при температурах окружающего воздуха 0 и +75 °C. Эти кривые отличаются между собой, так как нагрев, требуемый для срабатывания предохранителя, состоит из внутреннего электрического нагрева I²R и окружающей температуры. При температуре +75 °C нагрев, поступающий из окружающей среды, существенно выше, чем при температуре 0 °C, поэтому добавочный электрический нагрев I²R, требуемый для срабатывания, существенно меньше, и в результате требуется более низкий ток при данном времени срабатывания или более быстрое срабатывание при данном токе.

Соответственно, зависимость порогового тока (I_hold) и тока срабатывания (I_trip) от окружающей температуры и их существенного снижения при повышении температуры иллюстрируется на рис. 3.7.

Рис. 3.7

Являясь по существу полимерным РТС-компонентом (РРТС), такой предохранитель функционирует аналогично керамическому термистору РТС (СРТС), также предназначенному для ограничения тока, но обладает при этом значительным преимуществом, так как он имеет более низкое сопротивление и, соответственно, более низкое тепловыделение, что допускает защиту от намного более высоких токов. Кроме того, соотношение между сопротивлением при срабатывании и сопротивлением в нормальном состоянии у РРТС значительно выше, чем у СРТС. РРТС также характеризуется и меньшим размером. В отличие от обычного (плавкого) предохранителя, который после срабатывания должен быть заменен, самовосстанавливающийся предохранитель возвращается к начальному состоянию после прекращения повышенного тока или короткого замыкания. Такие компоненты находят широкое применение в различных электронных изделиях: автомобильная электроника, компьютеры и периферийное оборудование, аккумуляторные батареи и портативная электроника, аппаратура телекоммуникации, потребительские и промышленные изделия. Рассмотрим основные технические параметры предохранителей данного типа.

Hold Current I_H (пороговый ток), известный также как ток, разрешенный в схеме в течение продолжительного времени, представляет собой максимальное значение тока, которое самовосстанавливающийся предохранитель будет выдерживать неограниченное время при заданных температурных условиях без перехода от низкого сопротивления к высокому. Обычно Hold Current несколько превышает действующий ток схемы. В то же время Trip Current I_T (ток срабатывания), как правило, превышает в два раза Hold Current I_H.

Trip Current I_T (ток срабатывания) — минимальное значение тока, при котором будет обеспечено срабатывание предохранителя при заданных условиях.
Дополнительные технические параметры для данного типа предохранителей:

• Initial Resistance — первоначальное сопротивление предохранителя до его первого срабатывания. Диапазон значений находится в пределах от нескольких миллиом до нескольких ом. Предохранители, предназначенные для защиты от более высоких токов обладают меньшим начальным сопротивлением.
• Post-Trip Resistance R₁ — сопротивление предохранителя, измеряемое обычно через час после первого срабатывания. Его значение превышает в 2–4 раза первоначальное сопротивление. Изменения сопротивления после следующих срабатываний сравнительно незначительны.
• Trip point — момент срабатывания, переход от низкого сопротивления к высокому.
• Time to Trip — время, требуемое для срабатывания; зависит от величины повышенного тока и от окружающей температуры. Время срабатывания PPTC находится в пределах 4–20 секунд. Предохранители с более высокими токами срабатывания характеризуются более длительным временем срабатывания. Время срабатывания зависит также от окружающей температуры — чем выше температура, тем короче время срабатывания.
• Tripped State — состояние предохранителя после срабатывания от повышенного тока или неисправности.
• Operating Voltage — Максимальное напряжение, выдерживаемое предохранителем без повреждений при номинальном токе.
• Leakage Current — ток утечки в состоянии срабатывания. Когда PPTC-компонент сработал и зафиксирован с высоким сопротивлением, возможная величина тока, протекающего по цепи, является долей повышенного тока, приведшего к неисправности, и он может быть рассчитан по следующей формуле:
  I = P_d / V_ps,
  где: I — ток утечки в состоянии срабатывания; P_d — мощность, рассеиваемая компонентом PPTC; V_ps — приложенное к нему напряжение.
• Trip Cycle — количество циклов срабатывания (при номинальных напряжении и токе), выдерживаемое без повреждений.
• Thermal Derating — температурная зависимость порогового тока, а также тока и времени срабатывания от окружающей температуры с их снижением при повышении температуры (см. рис. 3.7).
• Trip Endurance — способность предохранителя обеспечить срабатывание и поддержание данного состояния в течение установленного периода времени.
• Tripped Power Dissipation — величина мощности, рассеиваемой после срабатывания. Ее значения находятся в пределах от 0.25 до 5 Вт.
• Maximum Current Imax — максимально допустимый ток, возникающий при неисправности и выдерживаемый предохранителем при его функционировании и безопасном срабатывании.
• Power Dissipation (P_d) — мощность, рассеиваемая корпусом предохранителя в состоянии срабатывания.

Самовосстанавливающиеся предохранители ограничены применением в схемах с током менее 9 А (при напряжении 12 В) и даже более низким током при более высоких напряжениях.

Самовосстанавливающиеся предохранители выпускаются в различных корпусах: Radial Leaded (с радиальными выводами) и SMD (со стандартными размерами 0603, 0805, 1206, 1210, 1812 и 2920) для поверхностного монтажа, а также тонкие РРТС типа strap (полоса) с осевыми выводами (Axial Leaded).

PPTC с осевыми выводами наиболее эффективны для защиты батарей (Lithium-Ion и Lithium-Polymer), нашедших широкое распространение в портативных электронных изделиях. Литиевые батареи особенно нуждаются в надежной защите и контроле предписанных параметров — напряжения, тока и пределов рабочей температуры. Более того, последствия от повреждения литиевых батарей могут быть весьма серьезными, с опасностью возникновения взрыва (вспышки) и воспламенения.

Низкопрофильная конструкция PPTC-strap позволяет их размещение внутри батарей, что обеспечивает повышение чувствительности PPTC к температурным изменениям в ячейках батарей и, соответственно, к быстрейшему срабатыванию при воздействии внешних факторов. Кроме того, их низкое сопротивление и температурные характеристики обеспечивают надежную защиту батарей от чрезмерных токов, вплоть до коротких замыканий и повышенных температур, возникающих в процессе усиленного разряда батарей или их неправильной зарядки (overcharge) изза несоответствующего или неисправного зарядного устройства.

PPTC-strap отвечают требованиям безопасности в соответствии со стандартами UL 1950/IEC 950 и выпускаются для батарей с различной химической структурой с широким диапазоном электрических характеристик и размеров, предоставляя разработчикам выбрать наилучший компонент для защиты конкретного типа батареи. Независимо от химической структуры батареи и специфики их функционирования, поддерживающий ток PPTC (hold current) должен быть выбран на основе максимально допустимого тока заряда/разряда батареи, принимая во внимание и максимальную рабочую температуру.

Самовосстанавливающиеся предохранители, как было указано выше, находят широкое применение в различных электронных устройствах, защита которых от повреждения исключает необходимость замены предохранителя при неисправностях или перегрузках, что существенно сокращает расходы по обслуживанию и ремонту аппаратуры. Изготовители таких предохранителей выпускают их с различными торговыми марками: ТЕ Connectivity — под маркой PolySwitch, Littelfuse — Polyfuse, BOURNS — Multifuse.

Первым изготовителем, запатентовавшим данный тип предохранителя, является компания Raychem, ныне принадлежащая фирме ТЕ Connectivity, и поэтому их торговая марка стала нарицательной и название polyswitch для этих компонентов используется среди потребителей довольно часто в качестве технического наименования, независимо от бренда и конкретного изготовителя.
Практические рекомендации по оптимальному выбору самовосстанавливающегося предохранителя для конкретного применения и обеспечения высокой надежности разрабатываемого изделия содержат следующий подход:

1. Выбор типа корпуса компонента (form factor) — с радиальными или
   осевыми выводами, для поверхностного монтажа, включая и чипы в стандартных размерах.
2. Выбор предохранителя с номинальным напряжением, равным или
   превышающим напряжение защищаемой им электрической цепи, при этом необходимо помнить, что при срабатывании предохранителя от появления повышенного тока или короткого замыкания, наибольшее напряжение будет приложено к нему, так как он явится элементом с наивысшим сопротивлением в цепи.
3. Выбор порогового тока (Hold Current IH) при надлежащей температуре окружающей среды. Этот ток определяется как наивысший устойчивый ток, измеряемый при комнатной температуре, который может выдерживаться предохранителем без срабатывания. Разработчик электронного изделия должен принимать во внимание снижение допустимого тока при превышении температуры (см. рис. 3.7) и выбирать предохранитель, который выдерживает предполагаемый ток при максимально ожидаемой температуре разрабатываемого изделия.
4. Проверка времени срабатывания. Изготовители предоставляют информацию о срабатывании их предохранителей при различных токах. Разработчик должен оценить токи, возникающие при возможных неисправностях, определить насколько быстро могут быть повреждены наиболее чувствительные компоненты изделия при этих токах и выбрать предохранитель со временем срабатывания, предотвращающим повреждения.
5. Проверка параметра максимального тока, который может быть безопасно и неоднократно прекращен предохранителем (Interrupt Current), не будучи при этом поврежденным и способным к дальнейшему функционированию. Разработчик должен обеспечить при выборе предохранителя то, что повышенные токи при всех возможных неисправностях изделия будут ниже максимального значения данного параметра.
6. Принятие во внимание рассеиваемой мощности предохранителя в состоянии после его срабатывания. Значение этого параметра поможет оценить склонность предохранителя к нагреву окружающего пространства и величину тока утечки.

Правильное понимание сущности и свойств самовосстанавливающихся предохранителей поможет разработчикам в создании надежных электронных изделий.

Необходимо еще раз отметить, что оба типа предохранителей (плавкие, с одной стороны, и самовосстанавливающиеся PPTC, a также PTC термисторы — с другой) обеспечивают защиту как от перегрузок, так и при коротких замыканиях. При этом плавкие предохранители при срабатывании полностью прекращают протекание тока, а самовосстанавливающиеся предохранители и PTC-термисторы при чрезмерном токе ограничивают его до приемлемого уровня, предотвращающего повреждение изделия и опасность аварии.

Понимание различий между двумя технологиями должно помочь в правильном выборе предохранителя в зависимости от применения электронного изделия. Ниже приведена сравнительная таблица 3.3 свойств плавких и самовосстанавливающихся предохранителей.

Табл. 3.3. Сравнительная таблица плавких и PPTC-предохранителей