Самовосстанавливающиеся предохранители

Самовосстанавливающиеся предохранители (PolySwitch или multifuse) – это многоразовые электронные компоненты из композитного пластика, предназначенные для защиты токопроводящих цепей от резких скачков напряжения или короткого замыкания. Особенность устройства, выраженная в его названии, это способность возвращаться в рабочее состояние, после того как будет устранена причина срабатывания.

Полностью заменить классические плавкие предохранители новые компоненты не могут, поскольку имеют временной лаг срабатывания и рассчитаны на более низкое рабочее напряжение. Областью самостоятельного использования PolySwitch является техника, которая не выходит из строя мгновенно при перегрузке (релейные активаторы, электродвигатели, монтажные блоки, аккумуляторы). В более чувствительных устройствах (контрольно-измерительные приборы, сетевое оборудование, компьютерная техника) они применяются повсеместно, но являются частью комбинированной защиты.

PolySwitch представляют собой тонкую полимерную токопроводящую пластину с напылёнными электродами и внешними выводами. По своей природе кристаллический пластик обладает свойствами диэлектрика. В композитный проводник его превращает добавленный мелкодисперсный технический углерод. Распределяясь по объёму, частицы образуют плотные электропроводящие цепочки по границам кристаллов. Электроды нужны для лучшего распределения электричества в объеме композита.

Устройства для внутренней установки имеют круглый или прямоугольный корпус с проволочными или лепестковыми контактами. Поверхностные предохранители для монтажа на плату внешне напоминают чип резисторы SMD . Несомненное достоинство самовосстанавливающихся предохранителей - их компактный размер и вариативность формы изделия.

Использование полимер-углеродного пластика в качестве защиты техники от скачков напряжения основано на его высоком температурном коэффициенте сопротивления (ТКС). Подобными характеристиками обладает множество материалов. Хорошей иллюстрацией здесь будет вольфрамовая нить в лампе накаливания при включённом свете. Специфическим свойством кристаллического пластика является низкий порог срабатывания, обеспечивающий прекращение подачи напряжения на малых токах.

Чтобы было понятнее устройство СП, сравним его с плавким предохранителем. Из первого примера видно, что металл может выдержать гораздо большее напряжение сети (1000 В и более), чем рассматриваемый композит (СП общего применения до 60 В). Но в случае чрезмерного напряжения нить в колбе классического предохранителя мгновенно расплавляется, размыкая цепь сразу и окончательно.

В PolySwitch при срабатывании изменяется структура материала, но полного разрушения не происходит. После остывания устройства его функционал восстанавливается.

В основе использования самовосстанавливающихся предохранителей лежит свойство кристаллического пластика менять своё агрегатное состояние при возрастании температуры.

Зависимость степени нагрева проводника от его сопротивления и силы тока в цепи выражает закон Джоуля-Ленца в его интегральной форме.

Для тонких проводников используется формула Q = I²Rt, где

• Q – это количество теплоты (Дж);
• t – время (с);
• I – сила тока (А);
• R – сопротивление проводника (Ом).

Время восстановления работоспособности PolySwitch напрямую зависит от скорости теплоотдачи во внешнюю среду. Чем холоднее снаружи, тем быстрее предохранитель включится. Такая связка требует более точной формулы расчёта, основанной на общем энергетическом балансе.

А именно: mCP(∆T/∆t) = I²R – U(T–TA), где добавляются:

• m – масса устройства;
• CP – его теплоёмкость;
• ∆t – временной интервал;
• ∆T – изменение температуры предохранителя;
• T – температура СП;
• U – общий коэффициент теплопроводности;
• TA – температура окружающей среды;

Здесь левая часть уравнения описывает нагрев предохранителя. Правая – скорость его остывания. В нормальных условиях работы цепи оба процесса находятся в равновесии. Стандартом значения расчётной температуры внешней среды считается +23 градуса Цельсия. При незначительном увеличении силы тока устройство нагреется, но будет успевать остывать. Система останется в равновесном состоянии (ток удержания или Ihold), хоть и будет несколько теплее.

К резкому скачку сопротивления приводит либо дальнейшее возрастание силы тока, либо повышение наружной температуры. Для стабилизации система должна уменьшить силу тока, что и происходит с разрывом цепи. Значение I в этот момент (при +23 градусах) называют током срабатывания или Itrip.

Из приведённых выше зависимостей видно, что производительность самовосстанавливающихся предохранителей напрямую зависит от микроклимата вокруг работающего устройства. Условно говоря, чем жарче помещение, тем меньшее напряжение необходимо для отключения какого-либо девайса и тем больше времени занимает возвращение в рабочее состояние.

Если описывать схематично, то самовосстанавливающийся предохранитель работает так:

• в нормальном режиме сопротивление в предохранителе невысокое, электричество течёт свободно;
• скачок напряжения вызывает подъём температуры композита – кристаллы плавятся, материал переходит в аморфное состояние, увеличиваясь при этом в объёме;
• расширение полимера разрывает углеродные цепочки, резко возрастает сопротивление и, что логично, происходит ещё больший нагрев СП;
• процесс развивается по экспоненте (радиальные линии на графике) до тех пор, пока не разрывает цепь – срабатывает защита;
• при остывании предохранителя возвращается его проводимость.

Для эксплуатации PolySwitch важно, что восстанавливается структура материала не в полном объёме. При каждом срабатывании его функционал немного меняется за счёт повышения сопротивления. Через несколько десятков форс-мажоров предохранитель практически полностью утрачивает проводимость.

Для выбора самовосстанавливающегося предохранителя нужно знать основные рабочие параметры устройства. Производители указывают их на самом устройстве или в сопровождающей документации. Если таковой нет, то в интернете есть таблицы значений электрических характеристик для каждого типа предохранителя.

Основные характеристики с принятыми обозначениями.

• Ток удержания Ihold – верхний порог силы тока, номинальное значение в рабочем режиме при заданной температуре (табличное значение +23 градуса), при котором устройство не «выстрелит».
• Ток срабатывания Itrip – нижний порог силы тока, являющийся критичным для сохранения целостности электропроводящей цепи.
• Максимально допустимый ток Imax. Превышение этого значения приводит к «перегоранию» предохранителя. Параметры тока короткого замыкания обычно лежат в интервале от 40 до 100 А.
• Мощность рассеивания Pdmax – значение рассеивания мощности при возрастании сопротивления в момент срабатывания.
• Минимальное сопротивление Rmin – нижний порог сопротивления в рабочем режиме.
• Типовое сопротивление Rtyp – характеристика проводимости нового предохранителя до его установки на плату.
• Максимальное сопротивление R1max – сопротивление предохранителя через час после размыкания цепи. Параметры Rmin и R1max обычно указываются в интервале как R = 0,6…1,18 (Ом). Чем меньше такой интервал, тем эффективнее будет работать устройство, запитанное от аккумулятора или батареек.
• Максимальное напряжение Vmax при протекании максимального тока Imax, которое СП выдержит без разрушения.

Рекомендуется ставить в приборы предохранители с номинальным напряжением большим, чем указанный порог в характеристиках самого прибора. Так, для защиты электропитания машины следует учитывать не только номинальное напряжение, но и возможные импульсные помехи (для сглаживания используют конденсаторы). Для USB порта достаточно будет Vmax=6 В.

Диапазон значений рабочей температуры СП составляет от -40 до +85 градусов Цельсия. В этих пределах сопротивление предохранителя не выходит за рамки разности Rmin – Rmax. Критический порог срабатывания начинается от цифры +125 градусов.

Поскольку самовосстанавливающейся предохранитель представляет собой инерционную систему, то при выборе следует смотреть на скорость срабатывания в случае перегрузки (Time to Trip). Этот параметр зависит от модели устройства. Указывается производителем в документации.

Перечесть все устройства, где используются самовосстанавливающиеся предохранители, невозможно. Их разработка и усовершенствование идёт в постоянном режиме, охватывая новые сферы.

На сегодня это:

• автомобильное электрооборудование;
• компьютеры и мультимедиа;
• приборы и портативная электроника;
• телекоммуникационное и кроссовое оборудование;
• медицинская измерительная аппаратура.

В мире, где цифровизация выходит на первый план, самовосстанавливающиеся предохранители будут востребованы везде, где используется низкий вольтаж. Самостоятельно или в комплекте с другими устройствами.