Самовосстанавливающиеся PPTC-предохранители MULTIFUSE

Сергей Хухтиков (г. Москва)

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.

Рис. 1. Схема подключения PPTC-предохранителя

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 [1]. 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.

Рис. 2. Срабатывание полимера с положительным температурным коэффициентом при увеличении температуры

 
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) [2].
 

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.

Рис. 3. Принцип работы самовосстанавливающегося предохранителя

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.

Рис. 4. Внешний вид планарных и выводных предохранителей Multifuse

 

Технические параметры Multifuse® для планарного и выводного монтажа представлены в сводных таблицах 1 и 2.
 

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:

1. номинальный ток пропускания через предохранитель (Ihold);
2. максимальное напряжение, которое может быть приложено к PPTC-предохранителю (Vmax);
3. максимальный аварийный ток (Imax);
4. максимальная рабочая температура вашего устройства;
5. 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

 
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 [3]. 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.

Рис. 5. Применение компонентов компании Bourns для USB
 

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 [4] 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 [5]. 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.

Рис. 6. Применение компонентов производства компании Bourns для светодиодных решений
 

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 [6]. 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.

Рис. 7. Применение компонентов Bourns для защиты устройств, подключаемых к однофазной сети переменного тока
 

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

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_предохранитель
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Resettable_fuse
3. http://www.usb.org/developers/present ... res0500/Hosler_USB_PM.ppt
4. http://bretford.com/resources/downloa ... es/UL%20White%20Paper.pdf
5. https://www.bourns.com/data/global/pdf ... _LED_Lighting_AppNote.pdf
6. https://www.bourns.com/data/global/pdf ... wer_Comm_White_Paper.pdf.