Самовосстанавливающиеся PTC-предохранители для защиты от токовых перегрузок

19 декабря 2014

LittelfuseстатьяPTCпредохранителиPolyfuse

Самовосстанавливающиеся предохранители POLYFUSE® компании Littelfuse представляют собой полимерные терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC). В ряде приложений они становятся отличной заменой стандартным плавким предохранителям.

Для долгой и надежной работы электронных цепей необходимо обеспечить их защиту от перегрузок по току и напряжению. Традиционным способом защиты от перегрузки по току является использование плавких или самовосстанавливающихся предохранителей. Самовосстанавливающиеся предохранители – это терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (Positive Temperature Coefficient, PTC).

Главным особенностью PTC является резкое скачкообразное изменение сопротивления при разогреве. Именно это свойство используется для защиты от перегрузок по току. При увеличении тока выше уровня срабатывания, PTC разогревается и размыкает цепь.

Современные PTC изготавливаются из полимерных материалов.

Компания Littelfuse предлагает различные типы полимерных самовосстанавливающихся термопредохранителей (PPTC):

  • PPTC для поверхностного монтажа различных типоразмеров (0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 1812, 2016, 2920). Для них характерны токи срабатывания от 300 мА до 14 А;
  • выводные PPTC, которые имеют диапазон токов срабатывания 0,16…23,8 А;
  • PPTC типа Battery Strap, которые оптимизированы для приложений с батарейным питанием (ноутбуки, планшеты и другие). Они имеют низкопрофильное исполнение и малое сопротивление.

Свойства PPTC в значительной степени определяются особенностями их конструкции. Рассмотрим ее подробнее.

Устройство и принцип работы PPTC

Существует несколько основных компаний, которые производият PPTC. Каждая из них запатентовала и использует свою марку: Polyfuse (Littelfuse), PolySwitch (TE Connectivity), Semifuse (ATC Semitec), Fuzetec (Fuzetec Technology), Multifuse (Bourns). Несмотря на отличия в названии, все PPTC имеют одинаковый принцип работы и сходную структуру. Рассмотрим ее на примере самовосстанавливающихся предохранителей производства компании Littelfuse.

Рис. 1. Структура PPTC

Рис. 1. Структура PPTC

PPTC представляет собой пластину непроводящего полимерного материала (рисунок 1). Как правило, это полиэтилен. При низких температурах полимер имеет преимущественно кристаллическое строение. Однако монокристаллическая структура не образуется. Это значит, что между отдельными кристаллическими участками оказываются незаполненные пространства. В процессе изготовления в эти пространства внедряют проводящий элемент – графит.

Благодаря графитовым каналам в неразогретом состоянии PPTC является проводником с низким собственным сопротивлением.

При разогреве выше определенной температуры перехода (обычно Тперехода порядка 125°C), молекулы полимера получают дополнительную энергию, и кристаллическая структура начинает трансформироваться в аморфную. Этот процесс сопровождается механическим расширением. Полимер вытесняет графит. В результате графитовые каналы разрываются, сопротивление резко увеличивается, а PPTC переходит в непроводящее состояние (рисунок 1, рисунок 2).

Рис. 2. Зависимость сопротивления PPTC от температуры

Рис. 2. Зависимость сопротивления PPTC от температуры

Когда температура предохранителя понижается, полимер начинает кристаллизоваться. Графитовые каналы образуются вновь, что приводит к возвращению проводящих свойств. В этом и состоит суть самовосстановления предохранителя. Стоит отметить, что величина сопротивления после восстановления всегда больше первоначальной. Об учете этого свойства будет сказано ниже.

Число переходов от проводящего состояния к непроводящему и обратно оказывается практически неограниченным. Это значит, что при отсутствии катастрофических факторов PPTC является, по сути, вечным предохранителем.

При использовании PPTC в качестве токоограничителя важным оказывается его свойство саморазогрева. В нормальном состоянии PPTC находится в проводящем состоянии. При протекании тока он, как и все элементы, рассеивает мощность Pd = I²R, где R – собственное сопротивление предохранителя. Если ток достаточно мал, то мала рассеиваемая мощность. В этом случае перегрев компонента оказывается незначительным, и большого роста сопротивления из-за саморазогрева не происходит.

Однако если ток имеет большое значение, то происходит значительное выделение тепла. Если температура превысит Tперехода – PPTC перейдет в непроводящее состояние и электрическая цепь окажется разомкнутой. В этом и состоит суть использования PPTC в качестве элемента защиты от перегрузок по току. Если аварийное состояние устранено, то предохранитель остывает и восстанавливает проводящие свойства.

Основные характеристики PPTC

Основными эксплуатационными характеристиками PPTC являются электрические и временные параметры, а так же температурные зависимости.

Ток удержания (Ihold), А – максимальный ток, который может пропускать PPTC без перехода в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха (обычно указывается для температуры 20…25°C).

Ток срабатывания (Itrip), А – минимальный ток, при котором PPTC переходит в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.

В большинстве случаев токовые характеристики оказываются основными при выборе предохранителя.

Ток утечки. PPTC в непроводящем состоянии имеет конечное сопротивление. Это значит, что он не в состоянии полностью разорвать цепь, и через нее могут протекать токи утечки. Иногда этот параметр указывают в документации.

Максимальный ток (Imax), А – максимальный ток, который PPTC может выдержать без разрушения.

Максимальное напряжение (Vmax), В – максимальное напряжение, которое может выдержать PPTC без повреждения при протекании максимального тока Imax. Очевидно, что значение Vmax должно покрывать требования конкретного приложения. При этом следует учитывать не только номинальные значения напряжений, но и возможность возникновения помех. Например, в легковых автомобилях номинальное напряжение бортовой сети не превышает 16 В, а уровень помех может превышать 100 В.

Мощность рассеивания при переходе (Pd), Вт – мощность, рассеиваемая PPTC при переходе в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.

Как было отмечено в предыдущем разделе, при восстановлении PPTC его сопротивление не принимает исходное значение. Оно оказывается выше. Сопротивления PPTC до монтажа, после монтажа и после восстановления будут отличаться. В документации приводят несколько различных параметров сопротивления.

Минимальное начальное сопротивление (Rmin), Ом – минимальное сопротивление PPTC в проводящем состоянии до монтажа на плату.

Максимальное сопротивление после восстановления (Rimax), Ом – минимальное сопротивление PPTC после одного часа восстановления при заданной температуре окружающего воздуха.

Время срабатывания, с – характеризует время перехода PPTC в непроводящее состояние при протекании тока. Имеет сильную зависимость от величины тока и температуры окружающей среды. Чем больше ток и температура, тем быстрее происходит переход. Диапазон времен срабатывания начинается от единиц миллисекунд.

Рабочий диапазон температур, °C, как правило, составляет -40…85°C. В этом диапазоне предохранитель не достигает температуры перехода.

Большая часть характеристик PPTC имеет сильную зависимость от температуры. Наиболее важной для практического применения является температурная зависимость тока срабатывания. Она носит линейный характер (рисунок 3). Из рисунка видно, что ток срабатывания увеличивается в три раза при переходе от 85°С до – 40°С. Аналогичные зависимости имеют и другие параметры. Эти особенности следует учитывать при проектировании схем защиты.

Рис. 3. Температурная зависимость тока срабатывания от температуры

Рис. 3. Температурная зависимость тока срабатывания от температуры

Несмотря на то, что традиционные плавкие предохранители имеют множество достоинств, PPTC являются незаменимыми во множестве приложений.

Качественное сравнение традиционных плавких предохранителей и PPTC

В большинстве случаев выбор между обычными плавкими предохранителями и PPTC делается исходя из требований конкретного приложения. Преимущества и недостатки каждого из решений определяются принципом работы этих защитных элементов (таблица 1).

Таблица 1. Качественное сравнение плавких предохранителей и PPTC

Параметр Плавкий предохранитель Самовосстанавливающийся PPTC
Число использований Однократное Многократное
Затраты на обслуживания Замена при каждом срабатывании Отсутствуют
Качество ограничения Полный разрыв цепи Есть токи утечки
Токи утечки, мА Отсутствуют До сотен
Минимальный уровень ток срабатывания Единицы А Сотни мА
Максимальный уровень тока ограничения, А Тысячи Десятки
Максимальное напряжение, В Типовое: до 600 Типовое: до 60
Максимальная рабочая температура, °С 125 85
Температурная зависимость тока срабатывания Слабая Сильная
Величина сопротивления в проводящем состоянии, мОм Десятки Сотни
Время срабатывания, мс Десятки Десятки

Плавкий предохранитель представляет собой металлический проводник (или проволоку), который плавится при возникновении перегрузки по току. При этом для восстановления проводящей цепи необходимо заменить предохранитель. В итоге, для эксплуатации оборудования потребуется обслуживающий персонал, что в большинстве случаев крайне нежелательно. PPTC свободны от этого недостатка.

С другой стороны, PPTC не способны полностью разорвать электрическую цепь. Они имеют конечное значение сопротивления. Это приводит к наличию токов утечки. Для многих приложений это может быть неприемлемо. Плавкие предохранители полностью разрывают цепь.

В общем случае, плавкие предохранители используются для более мощных цепей. Типовые значения токов срабатывания для них начинаются от единиц А. PPTC подходят для маломощных приборов, которые необходимо защищать от перегрузок, начиная от сотен миллиампер.

Верхняя граница токов для плавких предохранителей значительно превышает возможности PPTC и составляет тысячи ампер.

Ограничение величины мощности защищаемых цепей происходит и за счет собственного сопротивления предохранителей в проводящем состоянии. Плавкие предохранители имеют сопротивление в несколько раз меньше, чем у PPTC.

Еще одним преимуществом плавких предохранителей является меньшая зависимость от температуры окружающей среды (рисунок 3).

Диапазон рабочих температур у PPTC более узкий. Они имеют максимальную рабочую температуру 85°С, в то время как обычные предохранители могут работать при 125°С.

Важным параметром при выборе типа защитного элемента является максимальное рабочее напряжение. У PPTC типовым является напряжение до 60 В. Для плавких предохранителей типовое напряжение достигает сотен вольт.

Современная портативная электроника накладывает ограничения на габариты используемых компонентов. PPTC для поверхностного монтажа выполняются в миниатюрных корпусах, в том числе – 0402. Это делает их незаменимыми в ноутбуках, сотовых телефонах и других гаджетах.

Подводя итог приведенным рассуждениям, можно утверждать, что оба типа предохранителей имеют как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними можно сделать только с учетом особенностей конкретного приложения.

PPTC будут предпочтительны в целом ряде случаев:

  • в приложениях с требованием минимальных затрат на обслуживание;
  • для слаботочных и низковольтных цепей;
  • в портативной электронике с ограничениями к габаритам элементов;
  • в потребительской, бытовой и другой электронике, работающей в узком температурном диапазоне.

Приведем конкретные примеры таких приложений (рисунок 4): сети с использованием Power Over Ethernet, USB1.1 и USB 2.0, сотовые телефоны и зарядные устройства, компьютерные интерфейсы, например, IEEE 1394 FireWire, домашние телефоны и так далее.

Рис. 4. Применение PPTC

Рис. 4. Применение PPTC

Обзор PPTC компании Littelfuse

Компания Littelfuse предлагает самовосстанавливающиеся предохранители POLYFUSE® для разных типов монтажа:

Наиболее популярными разновидностями самовосстанавливающихся предохранителей являются PPTC для поверхностного монтажа и выводные. Рассмотрим их более подробно.

SMD PPTC. Номенклатура SMD-предохранителей включает в себя десять серий (таблица 2). Все серии выполняются для рабочего диапазона температур -40…85°C.

Таблица 2. SMD PPTC производства компании Littelfuse

Наименование Типоразмер Ток удержания, А Ток
срабатывания, А
Максимальное
напряжение, В
Максимальный
ток, А
Диапазон рабочих температур, °C
0402L 0402 (1005) 0,1…0,5 0,3…1,0 6 40/50 -40…85
0603L 0603 (1608) 0,04…0,5 0,12…1,0 6…15 40
0805L 0805 (2012) 0,10…1,10 0,3…2,00 6…24 40/100
1206L 1206 (3216) 0,125…2,00 0,29…3,5 6…30 100
1210L 1210 (3225) 0,05…2,0 0,15…4 6…30 10/100
1812L 1812 (4532) 0,10…3,0 0,3…5 6…60 10/20/40/100
2016L 2016 (5041) 0,30…2,00 0,6…4,2 6…60 20/40
2920L 2920 (7351) 0,30…5,00 0,6…10 6…60 10/40
250S 0,13 0,26 60 3
LoRho 0402…2920 0,1…7,0 0,3…14 6/12 40/50

Минимальное значение тока удержания составляет 40 мА (серия 0603L). Максимальное значение – 7 А (Серия LoRho, корпус 2920).

Диапазон возможных значений тока срабатывания начинается от 300 мА (серия 0603L) и ограничивается величиной 14 А (Серия LoRho, корпус 2920).

Для серии LoRho характерны наименьшие значения сопротивлений в проводящем состоянии: Rmin от 1 мОм, R1max от 7 мОм (корпус 2920).

Наименьшими габаритами обладает серия 0402L. Длина корпуса для них составляет 1 мм, а ширина – 0,5 мм.

Максимальным допустимым током 100 А обладают серии 0805L, 1206L, 1210L, 1812L.

Максимальное рабочее напряжение 60 В характерно для серий 1812L, 2016L, 2920L, 250S.

Выводные PPTC. Перечень выводных PPTC включает в себя семь серий (таблица 3). Диапазон рабочих температур для всех выводных самовосстанавливающихся предохранителей составляет -40…85°C.

Таблица 3. Выводные PPTC от Littelfuse

Наименование Ток удержания, А Ток срабатывания, А Максимальное
напряжение, В
Максимальный ток, А Диапазон рабочих температур, °C
USBR 0,75…2,50 1,3…5 6/16 40 -40…85
16R 2,50…14,00 4,7…23,8 16 100
30R 0,90…9,00 1,8…18 30 40
60R 0,10…3,75 0,2…7,5 60 40
72R 0,20…3,75 0,4…7,5 72 40
250R 0,08…0,18 0,16…0,65 60 3/10
600R 0,15…0,16 0,3…0,32 60 3

Наиболее низковольтной серией является USBR. Для нее рабочее напряжение составляет 6 В. Максимальным рабочим напряжением обладает серия 600R – 60 В в проводящем состоянии и до 600 В в режиме прерывания тока.

Минимально доступное значение тока удержания достигается в серии 250R – всего 80 мА, а максимальное значение в 14 А характерно для представителей серии 16R. Для этой же серии достигается максимальное значение тока срабатывания – 23,8 А.

Как видно из представленного обзора, пользователю предлагается широкий выбор PPTC. Для нахождения оптимального предохранителя для стандартных и типовых приложений можно воспользоваться рекомендациями инженеров Littelfuse (таблица 4).

Таблица 4. Области применения PPTC производства Littelfuse

Наименование 0402L 0603L 0805L 1206L 1210L 1812L 2016L 2920L 250S LoRho USBR 16R 30R 60R 72R 250R 600R
Телекоммуникационное оборудование
Требования Ul60950, TIA-968-A, GR-1089 + + +
Требования ITU-T + + +
CPE (Customer Premises Equipment) + + +
Аналоговая телефония + + +
T1/E1/J1 и HDSL + + +
ISDN + + +
ADSL + + +
Кабельная телефония + + +
PBX/KTS и Key Telephone System + + +
Компьютерная техника
Процессоры + + + +
USB + + + + + + + + +
IEEE1284 + + + + + +
IEEE 802.3 + + + + +
IEEE 1394 + + + +
Порты ввода/вывода + + + + + + +
PC Card + + + + + + + + +
SCSI + + + + + + +
Видео порт + + + + + + +
ЖК-мониторы + + + + + + + + +
Потребительская электроника
Set Top Box + + + + +
Микрофоны +
Считыватели карт памяти + +
Мобильные телефоны + + + + + +
AC/DC-адаптеры + + + + + + + + + +
Входы портативных устройств + + + + + + + +
Управление двигателями + + + + + +
Высоко-индуктивные цепи + + + + + +
Медицинское оборудование
Измерительные цепи + + +

Если же предполагается применение PPTC в нестандартных схемах, то стоит воспользоваться предложенным компанией Littelfuse стандартным алгоритмом выбора.

Алгоритм выбора PPTC компании Littelfuse

Алгоритм, предлагаемый инженерами Littelfuse, состоит из нескольких шагов.

  • На первом этапе необходимо определить основные электрические характеристики нагрузки: номинальные рабочие ток и напряжение, максимально допустимый ток, температуру окружающей среды, максимальную длительность нахождения в режиме перегрузки по току. Кроме того, следует спрогнозировать параметры возможных аварийных ситуаций и помех: значение возможного тока перегрузки, уровень напряжения помех. Дополнительными требованиями могут стать ограничения по габаритам и допустимому значению сопротивления предохранителя. Если для приложения предъявляются требования по стандартизации, то это также следует учесть.
  • Вторым шагом является выбор соответствующего требованиям PPTC.
  • Далее следует проверить, не выходят ли значения токов удержания и срабатывания за рамки допустимых значений во всем рабочем диапазоне температур. Аналогичным образом следует проанализировать время срабатывания. Если время срабатывания будет слишком большим, защищаемое устройство может выйти из строя. С другой стороны, слишком раннее срабатывание – также нежелательное явление.
  • Следует проверить, что выбранный PPTC соответствует требованиям по уровням напряжения с учетом помех.
  • Если требуется – необходимо проверить ограничения на габариты устанавливаемого предохранителя.
  • Наконец, необходимо проверить функционирование схемы в реальных условиях.

 

Заключение

Компания Littelfuse выпускает широкий спектр пассивных компонентов, таких как плавкие предохранители, самовосстанавливающиеся предохранители, TVS-диоды и так далее.

Полимерные самовосстанавливающиеся PPTC, по сравнению с плавкими предохранителями, имеют как достоинства, так и недостатки. Тем не менее, в ряде приложений PPTC оказываются незаменимыми (POE, USB, IEEE 1394 Firewire и других).

Богатый выбор наименований позволит разработчикам найти наиболее подходящий предохранитель как для стандартных приложений, так и для особенных уникальных устройств.

 

Литература

  1. Positive Temperature Coeficient (PTC) Thermistor Products. PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. 2008, Littelfuse.
  2. Electronics Circuit Protection. Product Selection Guide. 2013, Littelfuse.
  3. Why does USB 2.0 need Circuit Protection? 2013, Littelfuse.
  4. Документация на компоненты взята с официального сайта Littelfuse http://www.littelfuse.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее