Самовосстанавливающиеся предохранители - сайт радиолюбителей

Самовосстанавливающийся предохранитель принцип работы, smd маркировка

Самовосстанавливающийся предохранитель – самый удобный тип предохранителей, если говорить о его использовании. Его принцип работы основан на явлении испарения металла в жидком состоянии при протекании через него тока критической мощности. Пар металла имеет крайне высокое сопротивление, что и ограничивает проводимость электроцепи и размыкает ее. Так происходит контроль безопасности всех ее элементов, которые находятся после данного предохранителя.

Спустя несколько миллисекунд, металл конденсируется, его температура снижается, а проводимость восстанавливается. Сокращено такие предохранители называются ЖСП. Основными их преимуществами является многократное использование, нет необходимости менять их на новые после каждого срабатывания. В данной статье будут рассмотрены все вопросы их устройства и как их использовать.

Cамовосстанавливающиеся предохранители

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 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.

Устройство

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. До определенной, так называемой «переходной» температуры, сопротивление СП практически не возрастает. При достижении «переходной» температуры сопротивление возрастает в логарифмической пропорции.

В самовосстанавливающемся предохранителе при превышении номинального тока сильно возрастает его электрическое сопротивление , и ток в свою очередь практически прекращает течь. По истечению какого-то времени сопротивление предохранителя снова приходи в норму и прибор становится снова полностью работоспособным. Как правило, это несколько минут. Вот это время и стоит подождать, чтобы начать разбираться в причинах поломки.

Принцип работы

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. 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.

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

Схема включения

Схема включения СП такая же, как для обычных плавких предохранителей. СП включается в цепь питания последовательно с нагрузкой. Главными техническими характеристиками являются:

  • 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).

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.

Типы корпусов, габаритные и установочные размеры

Самовосстанавливающиеся предохранители выпускаются в нескольких типах корпусов:

  • Дисковые с радиальными проволочными выводами: серии MF-R, MF-RX (рис. 5). Общего применения, для печатного монтажа в отверстия или для навесного монтажа.
  • Для поверхностного монтажа: серии MF-SM, MF-MSM. Общего применения.
  • В плоских прямоугольных корпусах с ленточными выводами: серии MF-S, MF-LS (рис. 6). Применяются для защиты аккумуляторных батарей от короткого замыкания и перегрева в процессе зарядки.
  • В бескорпусном исполнении в виде дисков без выводов.
Читайте также:  Почему неисправен выжимной подшипник причины, фото- и видеообзор

Маркируются логотипом производителя, идентификатором серии, кодовым обозначением нормального рабочего тока (Ihold) и кодовым обозначением даты производства. На самовосстанавливающиеся предохранители в бескорпусном исполнении в виде дисков маркировка не наносится.

Основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей

  • Hабочее напряжение. Оно показывает, при каком напряжении в сети предохранитель может работать достаточно долгое время, не выходя из строя. Как правило, в прибор ставится предохранитель с немного большим рабочим напряжением, чем то, на которое рассчитан сам прибор.
  • Номинальный рабочий ток. Это максимальное значение тока через предохранитель, при котором он нормально работает, не срабатывая (не размыкая цепи).
  • Ток срабатывания. Это минимальный ток, при котором самовосстанавливающийся предохранитель сработает. Этот параметр очень важен, так как от него напрямую зависит надежность защиты прибора или аппаратуры. Если заменить на меньшее значение, предохранитель станет чаще срабатывать (давать ложные сработки), если на большее – он не сработает в нужный момент и аппаратура может выйти из строя.
  • Максимальный ток , который может выдержать предохранитель, не выходя из строя.
  • Рабочая температура.
  • Максимальное и минимальное сопротивление. Первое значение указывает сопротивление предохранителя, когда он сработал, а второе – в нормальном состоянии.
  • Скорость срабатывания. Чем меньше это время, тем лучше.

Как правило, на самом самовосстанавливающемся предохранителе указывается только рабочее напряжение, температура и ток срабатывания – это самые важные параметры. Остальные можно посмотреть в справочнике в Интернете. Самовосстанавливающийся предохранитель широко используется в электронике для защиты электронной аппаратуры. Полимерный компонент резко увеличивает сопротивлением при превышении порогового значения протекающего через него тока. После уменьшения напряжения через заданный интервал времени предохранитель уменьшает свое сопротивление, поэтому его назвали самовосстанавливающимся. Самовосстанавливающиеся предохранители широко используются для защиты коммуникационных портов и интерфейсов. Ведущим производителем компонентов является компания Bourns.

Расчет мощности и сопротивления

Сопротивление полимерных предохранителей как минимум в два раза больше в сравнении с плавкими. В отличие от плавких предохранителей полимерные не обеспечивают полного разрыва цепи. Поэтому в “отключенном” состоянии (т.е. в состоянии высокого сопротивления) полимерные предохранители характеризуются током утечки. Величина тока утечки может достигать нескольких сотен миллиампер. Плавкие предохранители при срабатывании полностью разрывают цепь протекание тока.

Скорость реакции полимерных предохранителей хуже, чем у плавких. Времятоковая характеристика полимерных предохранителей во многом аналогична той, которую имеют плавкие предохранители типа Littelfuse Slo-Blo. Времятоковая характеристика отключения – зависимость времени “перегорания” от протекающего тока. Это, по сути, время отключения как функция тока.

Максимально допустимый ток через полимерный предохранитель 10-100 А, тогда как у некоторых типов плавких максимальный ток может достигать величины 10 тыс. ампер. Определения некоторых основных электрических характеристик полимерных предохранителей во многом соответствуют тем, которые используются для плавких. Вместе с тем, в связи с особенностями технологии в документации, предоставляемой компанией Littelfuse, в качестве основных приводятся следующие электрические характеристики полимерных предохранителей.

Ток удержания Ihold (hold current). По сути, номинальный ток предохранителя. Ток удержания – максимальный ток, который может протекать через предохранитель, и который не приводит к переходу в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха (как правило, – это 20 или 23 °C).

Ток срабатывания Itrip (trip current) – минимальный ток, при котором полимерный предохранитель переходит в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха.

Максимальный ток Imax (maximum fault current) – максимальный ток, который предохранитель может выдержать без повреждения при напряжении Vmax.

Максимальное напряжение Vmax (maximum voltage device) – максимальное напряжение, которое может выдержать предохранитель без повреждения при протекании максимального тока Imax. Следует учитывать не только номинальное значение рабочего напряжения, но и возможность возникновения разного рода импульсных помех (например, в системе электропитания автомобилей). Полимерные предохранители общего применения компании Littelfuse предназначены для работы при напряжении до 60 В. Для сравнения плавкие предохранители рассчитаны на напряжение 1000 В и более.

Мощность рассеивания Pdmax (power dissipated) – мощность, рассеиваемая предохранителем при переходе в непроводящее состояние при заданной температуре окружающего воздуха (обычно 20 или 23 °C).

Минимальное сопротивление Rmin (minimum resistance of device in initial state). Минимальное начальное сопротивление предохранителя в проводящем состоянии до монтажа на плату, по сути, до его пайки.

Типовое сопротивление Rtyp (typical resistance of device in initial state). Типовое сопротивление предохранителя в проводящем состоянии до монтажа на плату.

Максимальное сопротивление после восстановления R1max (maximum resistance) – максимальное сопротивление при заданной температуре, измеренное по истечению одного часа после восстановления или через 20 с после пайки при температуре 260 °C.

Полимерные предохранители (Polyfuse, Resettable PTC) это не аналог плавких предохранителей и по сравнению с ними – инерционные устройства, что необходимо учитывать при выборе предохранителя для конкретного приложения. Следует также принимать меры для ограничения протекающего тока и падения напряжения на нем. В некоторых случаях даже сопротивление соединительных проводов, например, электропроводка транспортного средства или внутреннее сопротивление аккумулятора может ограничить ток до допустимого уровня в цепи предохранителя.

Нельзя забывать, что при восстановлении полимерного предохранителя его характеристики ухудшаются после каждого срабатывания, поэтому на реальное число срабатываний влияют также специфические особенности эксплуатации некоторых приборов (например, тех, в которых перегрузка по току – частое явление). Ток срабатывания в значительной мере зависит от температуры окружающей среды. Если устройство предназначено для эксплуатации в расширенном диапазоне температур, использование полимерных предохранителей потенциально может привести к ложным срабатываниям. Диапазон рабочих температур полимерных предохранителей всего -40…85 °С.

Читайте также:  BMW E90 Club ВКонтакте Автомобиль мечты

Маркировка SMD предохранителей — Интегральный SMD предохранитель

Маркировка SMD предохранителей — миниатюрные элементы для печатных плат

Маркировка SMD предохранителей — самыми крохотными в линейке предохранителей SMD-компонентов значатся чипы (см.картинку 1а). Ширина данных приборов составляет до 1 мм, поэтому они широко востребованы в производстве сотовых телефонов, электрических бритвах и другой малогабаритной технике. Штатное для них напряжение, вне зависимости постоянное оно или переменное, могут иметь следующие значения: 10v, 20v, 30v, 40v.


Чип-предохранитель SMD

Предохранительные приборы рассчитанные на работу в 100-вольтовых цепях, значатся уже габаритными. Имеются блоки предохранителей SMD (см. картинку 1b) выполненных преимущественно в корпусах из керамики. Однако более габаритные, то-есть больше шести миллиметров, в отличии от чип-предохранителей они сразу заметны.

В эту линейку входят также предохранительные элементы расчитанные на 250v. Их главное отличие в том, что они имея предельную возможность отключения 100А, могут при этом выполнять защитные функции в случае короткого замыкания в цепях вторичных напряжений.


Предохранитель SMD в виде блока

Для контроля короткого замыкания, которое может составлять сотни ампер, используются предохранители специального применения, изготовленные в форме цилиндра с размерами 5 x 20 мм (см. картинку 1c) для монтажа поверх печатной платы. Внутри такого предохранителя используется припой с большой температурой плавления, что гарантирует устойчивость к высокому нагреву.

Еще одна особенность данного компонента заключается в колпачках корпуса, которые покрыты позолотой, вместо стандартного никелевого сплава. Такой предохранительный прибор в состоянии отключить ток равный 1500А, даже если сетевое напряжение составляет 230v. Производятся они под классификацией соответствующей стандарту «H», следовательно их целесообразнее использовать в первичных силовых трактах источников питания.


SMD-предохранитель цилиндрической формы с контактами покрытые позолотой

Маркировка SMD предохранителей

Самовосстанавливающиеся предохранители на напряжение до 250в. Самовосстанавливающиеся предохранители компании Littelfuse. Качественное сравнение традиционных плавких предохранителей и PPTC

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 U max — максимальное напряжение, которое может выдержать изделие без разрушения или повреждения при протекании тока через него не более Imax.

  • I max — максимальный ток, протекающий через изделие, при котором не происходит его разрушения или повреждения при приложенном к нему напряжении не более Umax.
  • I hold — максимальный ток, протекающий через изделие, при котором не происходит его отключения при температуре окружающей среды +20°С (ток удержания).
  • I trip — минимальный ток, протекающий через изделие, при котором происходит его отключение при температуре окружающей среды +20°С (ток срабатывания).
  • T trip — Время срабатывания изделия, характеризует время перехода изделия в непроводящее состояние и имеет сильную зависимость от величины протекающего по нему тока и температуры окружающей среды. Чем больше ток и температура, тем быстрее происходит переход. Диапазон времени срабатывания начинается от единиц миллисекунд.
  • Pd — Мощность, рассеиваемая изделием в отключённом (закрытом и нагретом) состоянии при температуре окружающей среды +20°С.
  • Рабочий диапазон температур, °C — как правило, составляет -40°С…+85°C. В этом диапазоне изделие не достигает температуры перехода.
  • При выборе предохранителя, который вы будете использовать в своих решениях, обратите внимание на максимально допустимый рабочий ток. Иногда за время перехода в закрытое состояние прибор «успевает» полностью разрушиться. Если высока вероятность превышения максимального тока, то стоит применить обычный плавкий предохранитель, либо ограничить предельный ток (ток короткого замыкания) с помощью дополнительного резистора.

    Читайте также:  Сварка меди аргоном технология, оборудование, электроды 1

    Ещё один очень важный параметр — максимальное рабочее напряжение. Когда прибор находится в нормальном режиме, напряжение на его контактах очень мало. Но при переходе в состояние срабатывания оно может резко возрасти. В настоящее время имеются серии самовосстанавливающихся предохранителей, рассчитанные на высокое напряжение, но они при этом имеющие небольшие рабочие токи.

    Применение самовосстанавливающихся предохранителей в сочетании с более быстродействующими устройствами защиты позволяет полностью реализовать требования защиты. С успехом такое сочетание применяют для защиты периферийных устройств компьютеров, в телекоммуникации, для защиты АТС, кроссов, сетевого оборудования от всплесков тока, вызванных попаданием линейного напряжения и молнии. Кроме того, самовосстанавливающиеся предохранители активно используются в компьютерах и игровых приставках для защиты портов (например, USB, HDMI), а также аккумуляторных батарей в портативной технике.

    Ниже приведены примеры построения схем с применением самовосстанавливающегося предохранителя.

    Везде, где есть источник питания и нагрузка, возможно применять самовосстанавливающиеся предохранители. Тот факт, что эти предохранители возвращаются в исходное состояние автоматически, выделяет их отдельно, как класс устройств защиты цепи. Грамотные разработчики знают об особенностях их применения и эксплуатации и учитывают их.

    Поскольку самовосстанавливающиеся предохранители не нуждаются в обслуживании, их можно использовать в качестве устройств защиты встроенных схем. Практически во всех устройствах, от бытового применения, в малом и среднем бизнесе, до применения на крупных предприятиях, везде, где требуется минимальное вмешательство человека, «находят себя» эти изделия.

    К преимуществам относятся:

    • Низкая стоимость.
    • Экономия пространства (в том числе на печатной плате).
    • Отсутствие необходимости в обслуживании.

    К недостаткам можно отнести:

    Необходимость обеспечить соблюдение всех режимов работы, в том числе в состоянии срабатывания (состоянии защиты).

    Самовосстанавливающийся предохранитель — инерционный прибор, он не подходит для защиты схем чувствительных к коротким броскам тока. В таких случаях его необходимо применять совместно с другими элементами защиты — супрессорами, варисторами, разрядниками, стабилитронами, но необходимость ограничения максимального тока в цепи остаётся.

    Ток срабатывания самовосстанавливающегося предохранителя зависит от температуры окружающей среды. Чем она выше, тем он меньше. При необходимости эксплуатации в расширенном диапазоне температур окружающей среды следует учитывать вероятность ложных срабатываний предохранителя.

    Самовосстанавливающиеся предохранители представлены в ассортименте группы компаний «Промэлектроника» продукцией таких ведущих фирм, как Littelfuse и Bourns.

    Обозначение серий самовосстанавливающихся предохранителей

    LSMF — серия для поверхностного монтажа

    185 — ток удержания, mA (от 185 до 400)

    33 — максимальное напряжение, V (6, 12, 14 или 33)

    X — дизайн Multifuse® freeXpansion ™

    2 — упаковка Tape&Reel

    MF — самовосстанавливающийся предохранитель

    110 — ток удержания, 11 A (от 0,05 A до 11,0 A)

    0 — упаковка в ленту и катушку (при отсутствии — упаковано в соответствии со стандартом EIA 481-1)

    99 — cоответствие RoHS (требования по содержанию свинца).

    250 R 120 — R Z R

    250 — максимальное напряжение, V

    R — серия для монтажа в отверстия (ТНТ)

    120 — ток удержания, mA

    Z — количество в единице упаковки (F=200 шт., M=1000 шт., U=500 шт., Z=1200 шт.)

    R — упаковка в ленту и катушку (при отсутствии — упаковано в соответствии со стандартом EIA 481-1)

    1210 L 380 /12 TH Y R -A

    L — серия для поверхностного монтажа

    380 — ток удержания, mA

    12 — максимальное напряжение, V

    TH — низкий профиль

    Y — количество в единице упаковки (K=10000 шт., Y=4000 шт., W=3000 шт., P=2000 шт.)

    R — упаковка в ленту и катушку

    A — автомобильного применения (при отсутствии — стандартного применения)

    Внешний вид

    Самовосстанавливающийся предохранитель иными словами можно назвать предохранителем многоразового использования . Предохранитель являет собой полимерный резистор, имеющий положительный температурный коэффициент сопротивления. Используется для защиты от перегрузки цепей по току или одновременной защиты по напряжению и току в пределах от 3А до 100А и от 6В до 250В .

    Самовосстанавливающиеся предохранители отличаются от традиционных конструкций отсутствием плавкой вставки и возможностью самовосстановления проводящих способностей после срабатывания и завершения воздействия побудителя.

    Способность автоматического восстановления предохранителей сокращает время и расходы на обслуживание, ремонт электроустановки.

    Возрастание проходящего тока или температуры окружающей среды, превышающих номинальные значения, приводят к увеличению сопротивления предохранителя в пределах от 0,0026Ом до 60Ом , плавлению кристаллических токопроводящих частиц и размыканию цепи впоследствии. Скорость срабатывания зависит от конкретной серии и длится в пределах от 0,15 с до 40,00 с .

    После сброса цепи температура предохранителя понижается, восстанавливая первоначальные характеристики. Происходит самовосстановление. Следует отметить, что число срабатываний ограниченно . После каждого срабатывания характеристики ухудшаются.

    Выбор соответствующего предохранителя необходимо осуществлять, обращая внимание на следующие характеристики: тип предохранителя (с радиальными, аксиальными выводами или для поверхностного монтажа в SMD исполнении), максимальный не приводящий к срабатыванию ток (рекомендуется выбирать со значением, превышающим ток цепи), максимальное рабочее напряжение и температура рабочей среды, влияющая на ток срабатывания.

    Применяются представленные предохранители в компьютерном, телекоммуникационном и кроссовом оборудовании, медицинской измерительной аппаратуре, аккумуляторных батареях, автомобильном и другом электрооборудовании.

    Детальные характеристики и основные параметры самовосстанавливающихся предохранителей значатся в таблицах. Расшифровка маркировки, зависимость тока, не приводящего к срабатыванию, от температуры окружающей среды, размеры, рекомендации монтажа и пайки приведены ниже.

    Гарантия работы поставляемых нашим предприятием самовосстанавливающихся предохранителей составляет 2 года. Это подкрепляется надлежащими документами по качеству.

    Окончательная цена на самовосстанавливающийся предохранитель зависит от количества, сроков поставки, производителя, страны происхождения и формы оплаты.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock detector