Самовідновлювані запобіжники. Міфи і реальність

У коментарях до моєї минулої статті про способи захисту від неправильного підключення полярності джерела живлення мене неодноразово корили за те, що не згадав спосіб захисту з використанням самовідновлюваного запобіжника. Щоб виправити цю несправедливість спочатку хотів просто додати до статті додаткову схему захисту і коротке до неї пояснення. Однак вирішив, що тема самовідновлюваних запобіжників заслуговує окремої публікації. Справа в тому, що усталена їх назва не надто відображає суть речей, а копатися в даташитах і розбиратися в принципі роботи при застосуванні таких «елементарних» компонентів, як запобіжник, часто починають вже після того, як почала глючити перша партія плат. Добре якщо не серійна. Отже, під катом вас чекає спроба розібратися, що ж це за звір такий PolySwitch, оригінальна назва, до речі, краще відображає суть приладу, і зрозуміти з чим його їдять, як і в яких випадках має сенс його використовувати.

Фізика теплого тіла.

PolySwitch, це PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient) прилад, який має позитивний температурний коефіцієнт опору. По правді, набагато більше спільних рис він має з позистором, або біметалічним термопредохоронцем, ніж з плавким, з яким його зазвичай асоціюють не в останню чергу завдяки зусиллям маркетологів.

Вся хитрість полягає в матеріалі з якого наш запобіжник виготовлений - він являє собою матрицю з полімера, що не проводить струм, змішаного з технічним вуглецем. У холодному стані полімер кристалізований, а простір між кристалами заповнений частинками вуглецю, що утворюють безліч провідних ланцюжків.

Якщо через запобіжник починає протікати занадто великий струм, він починає нагріватися, і в якийсь момент часу полімер переходить в аморфний стан, збільшуючись у розмірах. Через це збільшення вуглецеві ланцюжки починають розриватися, що викликає зростання опору, і запобіжник нагрівається ще швидше. Зрештою опір запобіжника збільшується настільки, що він починає помітно обмежувати струм, що протікає, захищаючи таким чином зовнішній ланцюг. Після остигання приладу відбувається процес кристалізації і запобіжник знову стає чудовим провідником.

Як виглядає температурна залежність опору видно з наступного малюнка

На кривій позначено декілька характерних точок. Наш запобіжник є відмінним провідником поки температура знаходиться в робочому діапазоні Point1 < T < Point2 (normal operating conditions). Після того, як вона досягає якогось граничного значення опір починає швидко зростати і в діапазоні Point3-Point4 змінюється за законом, близьким до експоненційного.

Ідеальний сферичний кінь у вакуумі.

Час переходити від теорії до практики. Зберемо просту схему захисту нашого цінного пристрою, настільки просту, що зображена за ГОСТом вона виглядала б просто непристойно.

Що ж буде відбуватися, якщо в ланцюгу раптом виникне неприпустимий струм, що перевищує струм спрацювання? Опір матеріалу з якого прилад виготовлений почне зростати. Це призведе до збільшення падіння напруги на ньому, а значить і розсіюваної потужності рівної U * I. В результаті температура зростає, це знову призводить до... Загалом починається лавиноподібний процес нагріву приладу з одночасним збільшенням опору. В результаті провідність приладу падає на порядки і це призводить до бажаного зменшення струму в ланцюгу.

Після того як прилад остигає його опір відновлюється. Через деякий час, на відміну від запобіжника з плавкою вставкою, наш Ідеальний Запобіжник знову готовий до роботи!

Чи ідеальний? Давайте озброївшись нашими скромними пізнаннями у фізиці приладу спробуємо розібратися в цьому.

Гладко було на папері, та забули про яри.

Мабуть, головна проблема полягає в часі. Час взагалі така субстанція, яку дуже важко перемогти, хоча багатьом дуже хотілося... Але не будемо про політику - ближче до наших полімерів. Як ви напевно вже здогадалися, я веду до того, що зміна кристалічної структури речовини набагато більш тривалий процес ніж перебудова дірок з електронами, наприклад в тунельному діоді. Крім цього, для того щоб розігріти прилад до потрібної температури, потрібен деякий час. В результаті, коли струм через запобіжник раптом перевищить порогове значення, його обмеження відбувається зовсім не миттєво. При струмах, близьких до порогового, цей процес може зайняти кілька секунд, при струмах близьких до максимально допустимого для приладу, долі секунди. В результаті за час спрацювання такого захисту складний електронний пристрій встигне вийти з ладу, можливо, не один десяток разів. На підтвердження наводжу типовий графік залежності часу спрацювання (по вертикалі) від того, що викликає це спрацьовування струму (по горизонталі) для гіпотетичного PTVC приладу.

Зверніть увагу, що на графіку наведено дві залежності, зняті при різних температурах навколишнього середовища. Сподіваюся ви ще пам'ятаєте, що першопричиною перебудови кристалічної структури служить температура матеріалу, а не струм, що протікає через нього. Це означає, що при інших рівних, для того щоб розігріти прилад до стану метаморфози від більш низької температури необхідно витратити більше енергії ніж від більш високої, а значить, і процес цей в першому випадку займе більше часу. Як наслідок, отримуємо залежність таких найважливіших параметрів приладу, як максимальний гарантований струм нормальної роботи і гарантований струм спрацьовування від температури навколишнього середовища.

Перш ніж привести графік доречно згадати про основні технічні характеристики даного класу приладів.

• Максимальна робоча напруга Vmax - це максимально допустима напруга, яка може витримувати прилад без руйнування при номінальному струмі.
• Максимально допустимий струм Imax - це максимальний струм, який прилад може витримати без руйнування.
• Номінальний робочий струм Ihold - це максимальний струм, який прилад може проводити без спрацювання, тобто без розмикання ланцюга навантаження.
• Мінімальний струм спрацьовування Itrip - це мінімальний струм через прилад, що призводить до переходу з проведеного стану в непровідний, тобто до спрацьовування.
• Початковий опір Rmin, Rmax - це опір приладу до першого спрацювання (при отриманні від виробника).

Внизу графіка знаходиться робоча область приладу. Що станеться в середній частині залежить, судячи з усього, від взаємного розташування зірок на небі, ну а побувавши у верхній частині графіка прилад відправиться в подорож (trip), яка викличе метаморфози його кристалічної структури і як наслідок спрацьовування захисту. Нижче наведено таблицю з даними реальних приладів. Різниця в струмі спрацьовування залежно від температури вражає!

Таким чином, у пристроях призначених для роботи в широкому температурному діапазоні застосовувати PPTC слід з обережністю. Якщо ви вважаєте, що проблеми у нашого кандидата на звання Ідеального Запобіжника закінчилися, то помиляєтеся. Є у нього ще одна слабкість, притаманна людям. Після стресового стану, викликаного надмірним перегрівом, йому необхідно прийти в норму. Однак фізика гарячого тіла дуже схожа на фізику м'якого. Як і людина після інсульту, колишнім наш запобіжник вже не стане ніколи! Для переконливості наведу черговий графік, процесу реабілітації після стресу, викликаного перевищенням протікаючого струму, який, влучні на слово англійці, обізвали Trip Event. і як вони не бояться нашого росспоживнагляду?

З графіка видно, що процес відновлення може тривати добою, але повним не буває ніколи. З кожним випадком спрацьовування захисту нормальний опір нашого приладу стає все вище і вище. Після кількох десятків циклів прилад взагалі втрачає здатність виконувати покладені на нього функції належним чином. Тому не варто використовувати їх у випадках коли перевантаження можливі з високою періодичністю.

Мабуть на цьому варто було б і закінчити, і нарешті приступити до обговорення областей застосування та схемотехнічних рішень, але варто обговорити ще деякі нюанси, для чого подивимося на основні характеристики широко поширених серій нашого героя дня.

Після вибору елемента, який ви будете використовувати в проекті зверніть увагу на максимально допустимий робочий струм. Якщо висока ймовірність його перевищення, то варто звернутися до альтернативного виду захисту, або обмежити його за допомогою іншого приладу. Ну наприклад дротяного резистора.

Ще один дуже важливий параметр - максимальна робоча напруга. Зрозуміло, що коли прилад знаходиться в нормальному режимі напруга на його контактах дуже мало, але ось після переходу в режим захисту воно може різко зрости. У недалекому минулому цей параметр був дуже малий і обмежувався десятками вольт, що не давало можливості використовувати такі запобіжники у високовольтних ланцюгах, скажімо для захисту мережевих блоків живлення.

Останнім часом ситуація покращилася і з'явилися серії, розраховані на досить високу напругу, але зверніть увагу, що вони мають досить невеликі робочі струми.

Схрестимо ужа і трепетну лань.

Судячи з того, яку різноманітність пристроїв PolySwitch пропонує ринок, використовувати їх у розроблюваних вами пристроях можна, а в окремих випадках навіть потрібно, але до вибору конкретного приладу і способу його використання слід підходити з великою ретельністю.

До речі, що стосується схемотехніки, пряма заміна плавких запобіжників на PolySwitch добре проходить тільки в найпростіших випадках.

Наприклад: для вбудовування в батарейні відсіки, або для захисту обладнання (електродвигуни, активатори, монтажні блоки) і електропроводки в автомобільних додатках. Тобто. пристроїв, які не виходять з ладу миттєво при перевантаженні. Спеціально для цього є широкий клас виконання даних пристроїв у вигляді перемичок з аксіальними висновками і навіть дисків для акумуляторів.

У більшості випадків PolySwitch варто комбінувати з більш швидкодіючими пристроями захисту. Такий підхід дозволяє компенсувати багато з їх недоліків, і в результаті їх з успіхом застосовують для захисту периферійних пристроїв комп'ютерів. У телекомунікації, для захисту АТС, кросів, мережевого обладнання від сплесків струму, викликаних попаданням лінійної напруги і блискавками. А так само при роботі з трансформаторами, сигналізаціями, гучномовцями, контрольно-вимірювальним обладнанням, супутниковим телебаченням і в багатьох інших випадках.

Ось простенький приклад захисту USB порту.

Як комплексний підхід розглянемо гіпотетичну схему комплексно вирішальну задачу побудови надзахищеного світлодіодного драйвера з харчуванням від мережі змінної напруги 220В.

У першому ступені самовідновлюваний запобіжник застосовано у зв'язці з дротяним резистором і варистором. Варістор захищає від різких кидків напруги, а резистор обмежує струм, що протікає в ланцюгу. Без цього резистора в момент включення імпульсного джерела живлення в мережу через запобіжник може текти неприпустимо великий імпульс струму, обумовлений зарядом вхідних ємностей. Другий ступінь захисту оберігає від неправильного перемикання полярності, або помилкове підключення джерела живлення із занадто великою напругою. При цьому, в момент аварійної ситуації, кидок струму приймає на себе захисний TVS діод, а PolySwitch обмежує протікаючу через нього потужність, запобігаючи тепловій пробій. До речі, ця зв'язка настільки напрошується в ході розробки схемотехніки і так широко поширена, що породила окремий клас приладів - PolyZen. Вельми вдалий гібрид ужа і трепетної лані.

Ну, і на виході наш самовідновлюваний запобіжник служить для запобігання короткого замикання, а так само на випадок виходу з робочого режиму світлодіодів, або їх драйвера в результаті перегріву, або несправності.

У схемі також присутні елементи захисту від статики, але це вже не тема даної статті...

Попереджений - значить озброєний.

На прощання давайте коротко підіб'ємо підсумки:

• Polyswitch це не плавкий запобіжник.
• Застосовуючи Polyswitch необхідно дбати про те, щоб струм який через нього проходить навіть у разі позаштатної ситуації не перевищував допустимий. Необхідно застосування обмежувачів струму. В окремих випадках обмежувачем можуть служити такі елементи як сполучні дроти (електропроводка автомобіля) або внутрішній опір батарей/акумуляторів. У таких випадках можлива найпростіша схема включення в розриву ланцюга.
• Polyswitch досить інерційний прилад, він не годиться для захисту схем чутливих до коротких кидків струму. У цих випадках його необхідно застосовувати спільно з іншими елементами захисту - стабілітронами, супресорами, варисторами, розрядниками тощо, що не звільняє вас від необхідності вжиття заходів, що обмежують максимальний струм у ланцюгу.
• Застосовуючи Polyswitch слід стежити щоб напруга на ньому не перевищувала допустимого. Висока напруга може з'явитися після спрацювання приладу, коли його опір збільшується.
• Слід пам'ятати, що кількість спрацьовувань приладу обмежена. Після кожного спрацьовування його характеристики погіршуються. Він не підходить для захисту ланцюгів, в яких перевантаження є буденною справою.
• Ну і нарешті, не забувайте що струм спрацювання цього приладу істотним чином залежить від температури навколишнього середовища. Чим вона вища, тим він менший. Якщо ваш пристрій розрахований на експлуатацію в розширеному температурному діапазоні або періодично працює в зоні підвищених температур (потужний блок живлення або підсилювач НЧ), це може призвести до помилкових спрацьовуванням.

P.S

Спеціально для того, щоб в черговий раз не ображати почуття користувача kacang хочу зазначити, що при підготовці статті були використані матеріали з наступних джерел:

ru.wikipedia.org

www.platan.ru

www.te.com

www.led-e.ru

www.terraelectronica.ru

а також уривки знань з моєї голови, почерпнуті в ході реалізації різних проектів з розробки радіоелектронних пристроїв, навчання в МІЕТ і звички, щепленої зі шкільної лави, у всьому шукати фізичний сенс.