Терморазмыкатели Bourns: TCO против PTC

24 июля

универсальное применениеBournsстатьяпассивные ЭК и электромеханика

Рост потребления терморазмыкателей и самовосстанавливающихся предохранителей Bourns связан с увеличением производства устройств с автономным питанием. Так где лучше применять каждое из этих изделий?

Короткое замыкание остается одной из самых критичных аварийных ситуаций для электроники. Для защиты от перегрузок по току используются различные методы, в том числе применяются специальные компоненты – терморазмыкатели (TCO) или самовосстанавливающиеся предохранители (PTC). Требования к защитным компонентам зависят от особенностей конкретного приложения, однако общая тенденция миниатюризации приводит к тому, что терморазмыкатели и PTC должны работать в условиях значительной токовой нагрузки, а их размеры становятся все компактнее. Рассмотрим новые семейства TCO и PTC от Bourns.

По оценкам исследователей, объем рынка литий-ионных аккумуляторов возрастет с $29,67 млрд в 2015 году до $77,42 млрд к 2024 году [1] (рисунок 1). Увеличение произойдет в первую очередь за счет расширения использования аккумуляторов в автомобильных и промышленных приложениях. Несмотря на появление новых типов источников питания легко представить, что литий-ионные аккумуляторы не скоро сдадут позиции – в первую очередь благодаря великолепным показателям удельной емкости. Главным же недостатком Li-ion становится слабая устойчивость к токовым перегрузкам и повышенная взрывоопасность. Таким образом, при работе с литий-ионными аккумуляторами необходимо предусматривать защиту от коротких замыканий (КЗ). Для защиты от КЗ применятюся самовосстанавливающиеся предохранители (Polymeric Thermal Cutoff, P-TCO) или механические терморазмыкатели (Thermal Cutoff, TCO).

Рис. 1. Прогнозируемый рост рынка литий-ионных аккумуляторов к 2024 году [1]

Рис. 1. Прогнозируемый рост рынка литий-ионных аккумуляторов к 2024 году [1]

Основной тенденцией развития электроники по-прежнему остается уменьшение габаритов. В результате, чтобы обеспечить выполнение требований рынка, размыкатели также должны становится более компактными при одновременном сохранении высокой нагрузочной способности. Это касается не только защиты устройств с батарейным питанием, но и, например, устройств с питанием от USB (рисунок 2). Чтобы уместиться в габаритах, заданных USB3.0, и обеспечить необходимую выходную мощность (до 100 Вт) понадобятся очень компактные терморазмыкатели, в идеале – предназначенные для SMD-монтажа. Терморазмыкатели такого уровня предлагает компания Bourns.

Рис. 2. Размещение терморазмыкателей Bourns в разъеме Type-C [2]

Рис. 2. Размещение терморазмыкателей Bourns в разъеме Type-C [2]

В настоящий момент компания Bourns выпускает и механические терморазмыкатели, например, серий SA и SC, и самовосстанавливающиеся предохранители, например, серии P-TCO.

Микромеханические терморазмыкатели: конструкция и принцип работы

Терморазмыкатель имеет пару контактов (подвижный и неподвижный), биметаллическую мембрану и самовосстанавливающийся предохранитель. Конструкция механического терморазмыкателя Bourns представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция механического терморазмыкателя Bourns [3]

Рис. 3. Конструкция механического терморазмыкателя Bourns [3]

В нормальном состоянии подвижный и неподвижный контакты замкнуты между собой. Сопротивление терморазмыкателя оказывается минимальным и составляет обычно всего несколько мОм (рисунок 4). Ток течет беспрепятственно и может достигать десятков ампер.

Рис. 4. В нормальном состоянии контакты замкнуты. Сопротивление терморазмыкателя составляет всего несколько мОм [3]

Рис. 4. В нормальном состоянии контакты замкнуты. Сопротивление терморазмыкателя составляет всего несколько мОм [3]

При протекании тока неизбежно возникает разогрев терморазмыкателя и, в том числе, биметаллической мембраны. Чем выше ток – тем больше разогрев. При существенной токовой нагрузке мембрана разогревается выше температуры деформации. Деформация мембраны приводит к расцеплению контактов, из-за чего сопротивление цепи увеличивается скачкообразно (рисунок 5). Полного разрыва цепи не происходит из-за наличия PTC. Ток утечки (сотни мА) протекает через PTC и тем самым поддерживает высокую температуру мембраны, не позволяя ей остыть и вернуться к исходному недеформированному состоянию. Другими словами, терморазмыкатель вернется в исходное замкнутое состояние только в том случае, если аварийное КЗ будет устранено и произойдет отключение питания системы.

Рис. 5. При коротком замыкании ток разогревает биметаллическую мембрану, которая, деформируясь, размыкает контакты [3]

Рис. 5. При коротком замыкании ток разогревает биметаллическую мембрану, которая, деформируясь, размыкает контакты [3]

Временная диаграмма работы терморазмыкателя показана на рисунке 6. Для терморазмыкателей Bourns температура срабатывания зависит от конкретной модели (72…85°С), а ее точность составляет ±5°С. Температура восстановления обычно равна 40°С. При этом важно понимать, что чем выше температура окружающей среды, тем меньше будет ток срабатывания. Более подробно об этом будет сказано далее при обзоре отдельных семейств.

Рис. 6. Временная диаграмма работы терморазмыкателя [3]

Рис. 6. Временная диаграмма работы терморазмыкателя [3]

Важными параметрами механического размыкателя являются:

  • сопротивление в замкнутом состоянии, которое обычно составляет несколько мОм;
  • ток утечки, определяемый параметрами PTC (сотни мА);
  • максимальный разрываемый ток – допустимый ток, который может отключать защитный компонент. Обычно величина тока приводится совместно со значением испытательного напряжения для определенного числа гарантированных переключений;
  • максимальное напряжение переключения.

Самовосстанавливающиеся предохранители PTC: конструкция и принцип работы

PTC является пластиной непроводящего полимерного материала со вкраплениями проводящих графитовых каналов (рисунок 7). Благодаря им, PTC имеет малое значение собственного сопротивления в холодном состоянии.

Рис. 7. В неразогретом состоянии PTC имеют низкое собственное сопротивление [4]

Рис. 7. В неразогретом состоянии PTC имеют низкое собственное сопротивление [4]

При прохождении определенной пороговой температуры полимер переходит в аморфное состояние, сопровождаемое механическим расширением. Полимер вытесняет графит, в следствие этого графитовые каналы разрываются, сопротивление резко увеличивается, а PTC переходит в непроводящее состояние (рисунок 8).

Рис. 8. При разогреве выше определенной температуры сопротивление PTC резко увеличивается [4]

Рис. 8. При разогреве выше определенной температуры сопротивление PTC резко увеличивается [4]

После остывания полимер восстанавливает кристаллическую структуру. Графитовые каналы образуются вновь, что приводит к возвращению проводящих свойств.

При выборе PTC следует учитывать целый ряд характеристик. В первую очередь следует определиться с диапазоном рабочих температур и рейтингом напряжения (Vmax). Необходимо четко понимать, что после срабатывания самовосстанавливающийся предохранитель физически не разрывает цепь, а значит — при возникновении существенного перенапряжения может произойти пробой. При пробое высока вероятность появления короткого замыкания.

Вторая важная группа параметров – токовые характеристики PTC. Рабочий ток не должен превышать ток удержания (Ihold). Более того, следует выбирать предохранитель с некоторым запасом, чтобы предотвратить ложные срабатывания. Ток срабатывания PTC (Itrip) выбирается исходя из границы тока КЗ нагрузки. Еще одной важной токовой характеристикой является предельно допустимый ток самовосстанавливающегося предохранителя (Imax). При превышении этого граничного значения PTC может попросту разрушиться.

Некоторые производители указывают величину тока утечки PTC. Из-за тока утечки нагрузка будет продолжать рассеивать некоторую мощность даже после срабатывания предохранителя.

При протекании тока часть напряжения будет неизбежно падать на предохранителе из-за наличия у него собственного сопротивления. Различают начальное сопротивление PTC (R1min) и сопротивление после восстановления (R1max). Наличие двух похожих параметров подчеркивает важный недостаток PTC — деградацию. Дело в том, что из-за нагрева, а также после срабатывания параметры предохранителя неизбежно деградируют и собственное сопротивление возрастает.

Не стоит забывать и о том, что PTC, как и любой другой компонент с сильной температурной зависимостью, обладает существенной инерцией. Другими словами, самовосстанавливающийся предохранитель срабатывает не мгновенно, а спустя некоторое время. Для характеристики инерции используют такой параметр как время срабатывания.

В каждом конкретном приложении значимость тех или иных характеристик PTC может оказаться различной. Где-то важно иметь большой рабочий ток, а где-то требуется высокая стойкость к перенапряжениям. Таким образом, разработчик должен подходить к выбору оптимального PTC со всей ответственностью.

Обзор механических SMD-терморазмыкателей Bourns

Для защиты аккумуляторов портативных приборов (смартфонов, ноутбуков и прочего) необходимы терморазмыкатели, которые не только способны обеспечить высокую нагрузочную способность, но и обладают компактными габаритами. При этом, если ранее терморазмыкатели требовали дополнительной технологической операции по распайке выводов с помощью контактной сварки, то теперь компания Bourns предлагает сразу два новых семейства – SA и SC, – предназначенные для стандартного SMD-монтажа на плату, что существенно расширяет область их применения.

Семейство механических SMD-терморазмыкателей SA объединяет восемь представителей с температурой срабатывания 72/77/82/85°С и предельным током 30/60 А (таблица 1). Все терморазмыкатели имеют компактные размеры 8,0×3,2х1,17 мм (рисунок 9).

Рис. 9. Механические SMD-терморазмыкатели семейства SA

Рис. 9. Механические SMD-терморазмыкатели семейства SA

Таблица 1. Характеристики механических SMD-терморазмыкателей SA

Наименование Температура размыкания, °C Температура восстановления мин., °C Максимальный ток размыкания (100 циклов при 5 В), А Максимальное напряжение (100 циклов при 12 A), В Ток утечки при 25°С макс., мА Сопротивление макс., мОм
SA72CB0 72 ± 5 40 30 28 200 15
SA77CB0 77 ± 5 40 30 28 200 15
SA82CB0 82 ± 5 40 30 28 200 15
SA85CB0 85 ± 5 40 30 28 200 15
SA72SB0 72 ± 5 40 60 28 200 7
SA77SB0 77 ± 5 40 60 28 200 7
SA82SB0 82 ± 5 40 60 28 200 7
SA85SB0 85 ± 5 40 60 28 200 7

В наименовании моделей первые две цифры определяют температуру срабатывания. Следующая литера обозначает материал, из которого изготовлены контакты:

  • С – медный сплав с низкой токовой нагрузочной способностью;
  • S – медный сплав с высокой токовой нагрузочной способностью.

Модели с литерой «С» обеспечивают сопротивление контактов 15 мОм и токовую нагрузку до 30 А на 100 переключений. Литера «S» в названии обозначает сопротивление контактов 7 мОм и токовую нагрузку до 60 А на 100 переключений.

Здесь стоит еще раз отметить, что ток срабатывания терморазмыкателя зависит от температуры окружающей среды. Чем выше температура – тем меньше будет ток срабатывания (рисунок 10).

Рис. 10. Зависимость тока срабатывания терморазмыкателей SA от температуры окружающей среды [5]

Рис. 10. Зависимость тока срабатывания терморазмыкателей SA от температуры окружающей среды [5]

Основные приложения терморазмыкателей серии SA связаны с защитой аккумуляторов портативных устройств (смартфонов, ноутбуков, планшетов и прочего), а также зарядных USB-устройств.

Еще одно семейство терморазмыкателей SC (рисунок 11) также может использоваться для защиты аккумуляторов смартфонов или планшетов, однако малые размеры (всего 4,7×2,8 мм) делают эти терморазмыкатели особенно привлекательными для приложений с жесткой нехваткой свободного места, таких, как USB-кабели со встроенной защитой или электронные сигареты.

Рис. 11. Малогабаритные терморазмыкатели семейства SC имеют габариты всего 4,7x2,8 мм

Рис. 11. Малогабаритные терморазмыкатели семейства SC имеют габариты всего 4,7×2,8 мм

Семейство SC объединяет восемь представителей, которые отличаются температурой срабатывания 72/77/82/85°С и небольшой высотой корпуса (таблица 2). Стандартная высота составляет 1,07 мм, высота низкопрофильных моделей немного меньше – 0,94 мм.

Таблица 2. Характеристики механических SMD-терморазмыкателей SС

Наименование Температура размыкания, °C Температура восстановления мин., °C Максимальный ток размыкания (100 циклов при 5 В), А Максимальное напряжение (100 циклов при 25 A), В Ток утечки при 25°С макс., мА Сопроти-
вление макс., мОм
Высота корпуса, мм
SC72AAA 72 ± 5 40 50 28 200 5 1,07
SC72AAB 72 ± 5 40 50 28 200 5 0,94
SC77AAA 77 ± 5 40 50 28 200 5 1,07
SC77AAB 77 ± 5 40 50 28 200 5 0,94
SC82AAA 82 ± 5 40 50 28 200 5 1,07
SC82AAB 82 ± 5 40 50 28 200 5 0,94
SC85AAA 85 ± 5 40 50 28 200 5 1,07
SC85AAB 85 ± 5 40 50 28 200 5 0,94

Предельный размыкаемый ток для всех представителей семейства SC составляет 50 А (гарантированное число размыканий – 100). При этом ток срабатывания зависит от температуры окружающей среды (рисунок 12), эту особенность нужно учитывать при разработке.

Рис. 12. Зависимость тока срабатывания терморазмыкателей SС от температуры окружающей среды

Рис. 12. Зависимость тока срабатывания терморазмыкателей SС от температуры окружающей среды

Обзор семейства P-TCO производства Bourns

В качестве защиты от коротких замыканий часто применяют самовосстанавливающиеся предохранители. В частности, для USB-устройств компания Bourns предлагает семейство P-TCO (рисунок 13).

Рис. 13. Самовосстанавливающиеся предохранители семейства P-TCO от Bourns

Рис. 13. Самовосстанавливающиеся предохранители семейства P-TCO от Bourns

В состав семейства входит шесть моделей, отличающихся корпусным исполнением, током срабатывания и сопротивлением (таблица 3). Модели с литерой «N» в наименовании имеют стандартный типоразмер 1206 (3,2×1,6 мм). Модели с литерой «U» имеют стандартный типоразмер 1210 (3,2×2,5 мм).

Таблица 3. Характеристики самовосстанавливающихся предохранителей P-TCO

Наименование Марки-
ровка на корпусе
Ihold, А Vmax, В Imax, A Сопротивление Время переключения Температура выключения при токе
3 А
R1min, Ом R1max, Ом Ток, А Время, с При 3 A, °C При 2 A, °C
P-TCO-N350/12 S12 3,5 12 50 0,002 0,022 8 5 75 ± 20 90 ± 15
P-TCO-N400/12 U12 4 12 50 0,002 0,018 10 5 80 ± 15 95 ± 15
P-TCO-N450/12 X12 4,5 12 50 0,002 0,014 22,5 2 85 ± 15 100 ± 10
P-TCO-U350/12 S12 3,5 12 50 0,002 0,022 17 5 75 ± 20 90 ± 20
P-TCO-U400/12 U12 4 12 50 0,002 0,018 20 5 80 ± 15 95 ± 15
P-TCO-U450/12 X12 4,5 12 50 0,002 0,014 22,5 2 85 ± 15 100 ± 10

Время срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей сильно зависит от тока и температуры окружающей среды, что является большим недостатком этих защитных компонентов (рисунок 14).

Рис. 14. Зависимость времени срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей семейства P-TCO от температуры окружающей среды [4]

Рис. 14. Зависимость времени срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей семейства P-TCO от температуры окружающей среды [4]

Для защиты USB-устройств можно применять как механические терморазмыкатели, так и PTC. При этом необходимо отметить достоинства каждого из этих защитных компонентов. PTC обладают сверхкомпактными габаритами и очень выгодны по стоимости. В то же время нагрузочная способность механических терморазмыкателей значительно выше, а их свойства не становятся хуже от большого количества срабатываний, в отличие от PTC, сопротивление которого будет увеличиваться после каждого следующего восстановления. Еще одним преимуществом серии SC становится точное значение температуры срабатывания с погрешностью всего ±5°С.

Заключение

Механические терморазмыкатели семейств SA и SC объединяют в себе высокую нагрузочную способность и компактные габариты, что делает их привлекательным вариантом защиты от коротких замыканий в таких приложениях как смартфоны, ноутбуки, планшеты и другая портативная электроника. Кроме того, терморазмыкатели серии SC могут использоваться и в приложениях с жестким ограничением свободного пространства, например, в USB-кабелях со встроенной защитой, электронных сигаретах и так далее.

В качестве альтернативы для механических терморазмыкателей могут использоваться самовосстанавливающиеся предохранители серии P-TCO. Они обладают сверхкомпактными габаритами и привлекательной стоимостью.

Литература

  1. New Battery Protection for Portable Electronics that Cuts Manufacturing Steps and Costs. WHITE PAPER. Bourns, 2017.
  2. Application Note. Protecting USB Type-C Cable Connectors Featuring Higher Power & Tighter Pin Spacing. Bourns, 2019.
  3. Application Note. Overcoming Circuit Protection Challenges in Lithium-Ion Battery Packs. Bourns, 2017.
  4. Bourns® Polymeric Thermal Cutoff (P-TCO) Devices. NEW PRODUCT BRIEF. Thermal Protection for Charging Cables. Bourns, 2019.
  5. Mini-Breakers. Miniature Thermal Cutoff Devices. Bourns.
  6. http://www.bourns.com/
•••

Наши информационные каналы

О компании Bourns

Компания была основана супругами Marlan и Rosemary Bourns в 1947 году и начала свою деятельность в их маленьком гараже в Калифорнии, США. Изобретение одного из первых в мире миниатюрных потенциометров было стимулом к превращению их крошечного бизнеса в глобальную корпорацию, производящую целый спектр продуктов, которые влияют почти на каждый аспект современной электронной промышленности. В 1952 году Bourns запатентовал первый в мире подстроечный потенциометр под торговой маркой Trimpot®. ...читать далее

Товары
Наименование
SA85CB0 (BOURNS)
SA72CB0 (BOURNS)
SA77CB0 (BOURNS)
SA82SB0 (BOURNS)
SA72SB0 (BOURNS)
SA77SB0 (BOURNS)
SC77AAB (BOURNS)
SC72AAB (BOURNS)
SC82AAB (BOURNS)
P-TCO-U450/12-2 (BOURNS)
P-TCO-U450/12 (BOURNS)