Самовосстанавливающиеся PTC-предохранители для защиты от токовых перегрузок. Самовосстанавливающиеся предохранители. Мифы и реальность Что такое предохранитель самовосстанавливающийся
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.
В комментариях к моей прошлой статье меня неоднократно корили за то, что не упомянул способ защиты с использованием самовосстанавливающегося предохранителя. Чтобы исправить эту несправедливость поначалу хотел просто добавить в статью дополнительную схему защиты и короткое к ней пояснение. Однако решил, что тема самовосстанавливающихся предохранителей заслуживает отдельной публикации. Дело в том, что устоявшееся их название не слишком отражает суть вещей, а копаться в даташитах и разбираться в принципе работы при применении таких “элементарных” компонентов, как предохранитель, часто начинают уже после того, как начала глючить первая партия плат. Хорошо если не серийная. Итак, под катом вас ждёт попытка разобраться, что же это за зверь такой PolySwitch
, оригинальное название, кстати, лучше отражает суть прибора, и понять с чем его едят, как и в каких случаях имеет смысл его использовать.
Физика тёплого тела.
PolySwitch
, это PPTC
(Polymeric Positive Temperature Coefficient) прибор, который имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. По правде, гораздо больше общих черт он имеет с позистором, или биметаллическим термопредохранителем, чем с плавким, с которым его обычно ассоциируют не в последнюю очередь благодаря усилиям маркетологов.
Вся хитрость заключается в материале из которого наш предохранитель изготовлен - он представляет собой матрицу из не проводящего 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 остывания прибора происходит процесс кристаллизации и предохранитель снова становится превосходным проводником.
Как выглядит температурная зависимость сопротивления видно из следующего рисунка
На кривой отмечено несколько характерных для работы прибора точек. Наш предохранитель является отличным проводником пока температура находится в рабочем диапазоне Point1 < T Пора переходить от теории к практике. Соберём простую схему защиты нашего ценного устройства, настолько простую, что изображённая по ГОСТу она выглядела бы просто неприлично. Что же будет происходить, если в цепи вдруг возникнет недопустимый ток, превышающий ток срабатывания? Сопротивление материала из которого прибор изготовлен начнёт возрастать. Это приведёт к увеличению падения напряжения на нём, а значит и рассеиваемой мощности равной U*I. В результате температура растёт, это снова приводит к… В общем начинается лавинообразный процесс нагрева прибора с одновременным увеличением сопротивления. В результате проводимость прибора падает на порядки и это приводит к желаемому уменьшению тока в цепи. Пожалуй, главная проблема заключается во времени. Время вообще такая субстанция, которую очень трудно победить, хотя многим очень хотелось… Но не будем о политике - ближе к нашим полимерам. Как вы наверное уже догадались, я веду к тому, что изменение кристаллической структуры вещества гораздо более длительный процесс чем перестройка дырок с электронами, например в туннельном диоде. Кроме этого, для того чтобы разогреть прибор до нужной температуры, требуется некоторое время. В результате, когда ток через предохранитель вдруг превысит пороговое значение, его ограничение происходит совсем не мгновенно. При токах, близких к пороговому, этот процесс может занять несколько секунд, при токах близких к максимально допустимому для прибора, доли секунды. В результате за время срабатывания такой защиты сложное электронное устройство успеет выйти из строя, возможно, не один десяток раз. В подтверждение привожу типичный график зависимости времени срабатывания (по вертикали) от вызвавшего это срабатывание тока (по горизонтали) для гипотетического PTVC
прибора. Обратите внимание, что на графике приведены для сравнения две зависимости, снятые при разных температурах окружающей среды. Надеюсь вы ещё помните, что первопричиной перестройки кристаллической структуры служит температура материала, а не протекающий через него ток. Это значит, что при прочих равных, для того чтобы разогреть прибор до состояния метаморфозы от более низкой температуры необходимо затратить больше энергии чем от более высокой, а значит, и процесс этот в первом случае займёт больше времени. Как следствие, получаем зависимость таких важнейших параметров прибора, как максимальный гарантированный ток нормальной работы и гарантированный ток срабатывания от температуры окружающей среды. Прежде чем привести график уместно упомянуть об о основных технических характеристиках данного класса приборов.
В нижней части графика находится рабочая область прибора. Что произойдёт в средней части зависит, судя по всему, от взаимного расположения звёзд на небе, ну а побывав в верхней части графика прибор отправится в путешествие (trip), которое вызовет метаморфозы его кристаллической структуры и как следствие срабатывание защиты. Из графика видно, что процесс восстановления может длиться сутками, но полным не бывает никогда. С каждым случаем срабатывания защиты нормальное сопротивление нашего прибора становится всё выше и выше. После нескольких десятков циклов прибор вообще теряет способность выполнять возложенные на него функции должным образом. Поэтому не стоит использовать их в случаях когда перегрузки возможны с высокой периодичностью. При выборе элемента, который вы будете использовать в проекте обратите внимание на максимально допустимый рабочий ток. Если высока вероятность его превышения, то стоит обратиться к альтернативному виду защиты, либо ограничить его с помощью другого прибора. Ну например проволочного резистора. Судя по тому, какое разнообразие устройств PolySwitch предлагает рынок, использовать их в разрабатываемых вами устройствах можно, а в отдельных случаях даже нужно, но к выбору конкретного прибора и способа его использования следует подходить с большой тщательностью. В большинстве же случаев PolySwitch стоит комбинировать с более быстродействующими устройствами защиты. Такой подход позволяет компенсировать многие из их недостатков, и в результате их с успехом применяют для защиты периферийных устройств компьютеров. В телекоммуникации, для защиты АТС, кроссов, сетевого оборудования от всплесков тока, вызванных попаданием линейного напряжения и молниями. А так же при работе с трансформаторами, сигнализациями, громкоговорителями, контрольно-измерительным оборудованием, спутниковым телевидением и во многих других случаях. Для примера рассмотрим гипотетическую схему комплексно решающую задачу построения сверхзащищённого светодиодного драйвера с питанием от сети переменного напряжения 220В. В первой ступени самовосстанавливающийся предохранитель применён в связке с проволочным резистором и варистором. Варистор защищает от резких бросков напряжения, а резистор ограничивает протекающий в цепи ток. Без этого резистора в момент включения импульсного источника питания в сеть через предохранитель может течь недопустимо большой импульс тока, обусловленный зарядом входных ёмкостей. Вторая ступень защиты предохраняет от неправильного переключения полярности, или ошибочном подключении источника питания со слишком большим напряжением. При этом, в момент аварийной ситуации, бросок тока принимает на себя защитный TVS диод, а PolySwitch ограничивает протекающую через него мощность, предотвращая тепловой пробой. Кстати, эта связка настолько напрашивается в ходе разработки схемотехники и так широко распространена, что породила отдельный класс приборов - PolyZen. Весьма удачный гибрид ужа и трепетной лани. Ну, и на выходе наш самовосстанавливающийся предохранитель служит для предотвращения короткого замыкания, а так же на случай выхода из рабочего режима светодиодов, или их драйвера в результате перегрева, либо неисправности. Специально для того, чтобы в очередной раз не оскорблять чувства пользователя kacang хочу отметить, что при подготовке статьи были использованы материалы из следующих источников: 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.
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. 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 СП такая же, как для обычных плавких предохранителей. СП включается в цепь питания последовательно с нагрузкой (см. рис. 4). 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). Самовосстанавливающиеся предохранители Multifuse выпускаются в нескольких типах корпусов:Идеальный сферический конь в вакууме.
После того как прибор остывает его сопротивление восстанавливается. Через некоторое время, в отличие от предохранителя с плавкой вставкой, наш Идеальный Предохранитель снова готов к работе!
Идеальный ли? Давайте вооружившись нашими скромными познаниями в физике прибора попробуем разобраться в этом.Гладко было на бумаге, да забыли про овраги.
Таким образом, в устройствах предназначенных для работы в широком температурном диапазоне применять PPTC следует с осторожностью. Если вы считаете, что проблемы у нашего кандидата на звание Идеального Предохранителя закончились, то заблуждаетесь. Есть у него ещё одна слабость, присущая людям. После стрессового состояния, вызванного чрезмерным перегревом, ему необходимо придти в норму. Однако физика горячего тела очень похожа на физику мягкого. Как и человек после инсульта, прежним наш предохранитель уже не станет никогда! Для убедительности приведу очередной график, процесса реабилитации после стресса, вызванного превышением протекающего тока, который, меткие на слово англичане, обозвали Trip Event. и как они не боятся нашего роспотребнадзора?
Пожалуй на этом стоило бы и закончить, и наконец приступить к обсуждению областей применения и схемотехнических решений, но стоит обсудить ещё некоторое нюансы, для чего посмотрим на основные характеристики широко распространённых серий нашего героя дня.
Ещё один очень важный параметр - максимальное рабочее напряжение. Понятно, что когда прибор находится в нормальном режиме напряжение на его контактах очень мало, но вот после перехода в режим защиты оно может резко возрасти. В недалёком будущем этот параметр был очень мал и ограничивался десятками вольт, что не давало возможности использовать такие предохранители в высоковольтных цепях, скажем для защиты сетевых блоков питания.
В последнее время ситуация улучшилась и появились серии, рассчитанные на достаточно высокое напряжение, но обратите внимание, что они имеют весьма небольшие рабочие токи.
Скрестим ужа и трепетную лань.
Кстати, что касается схемотехники, прямая замена плавких предохранителей на PolySwitch хорошо проходит только в простейших случаях. Например: для встраивания в батарейные отсеки, или для защиты оборудования (электродвигатели, активаторы, монтажные блоки) и электропроводки в автомобильных приложениях. Т.е. устройств, которые не выходят из строя мгновенно при перегрузке. Специально для этого имеется широкий класс исполнения данных устройств в виде перемычек с аксиальными выводами и даже дисков для аккумуляторов.
В схеме также присутствуют элементы защиты от статики, но это уже не тема данной статьи…P.S
ru.wikipedia.org
www.platan.ru/
www.te.com/
www.led-e.ru/
а также отрывки знаний из моей головы, почерпнутые в ходе реализации различных проектов по разработке радиоэлектронных устройств , обучения в МИЭТе и привычки, привитой со школьной скамьи, во всём искать физический смысл.Устройство
Принцип работы
Схема включения
Технические характеристики
Типы корпусов, габаритные и установочные размеры