Полимерный предохранитель с автоматическим восстановлением (PPTC)

Введение

Электронный компонент

Перезагружаемый предохранитель или полимерное устройство с положительным температурным коэффициентом (PPTC) — это пассивный электронный компонент, используемый для защиты электронных схем от токов перегрузки по току. Устройство также известно как мультипредохранитель, полипредохранитель или полисвитч. По функциям они схожи с термисторами PTC в определенных ситуациях, но работают за счет механических изменений, а не эффектов носителей заряда в полупроводниках. Эти устройства были впервые обнаружены и описаны Джеральдом Пирсоном в лабораториях Bell в 1939 году и описаны в патенте США № 2 258 958.

Операция

Полимерное ПТК-устройство состоит из непроводящей кристаллической органической полимерной матрицы, в которую добавлены частицы углеродного черного для придания ей проводимости. В холодном состоянии полимер находится в кристаллическом состоянии, при этом частицы углерода оказываются в межкристаллических пространствах, формируя множество проводящих цепей. Поскольку полимер проводит ток (имеет начальное сопротивление), он пропускает электрический ток. Если через устройство пропустить слишком большой ток, оно начнет нагреваться. При нагревании полимер расширяется, переходя из кристаллического в аморфное состояние. Расширение разрывает связи между частицами углерода и прерывает проводящие пути, что приводит к более быстрому нагреву и дальнейшему увеличению сопротивления. Это увеличение сопротивления значительно снижает ток в цепи. Небольшой (утечки) ток продолжает протекать через устройство, достаточный для поддержания температуры, необходимой для сохранения состояния высокого сопротивления. Ток утечки может варьироваться от менее ста миллиампер при номинальном напряжении до нескольких сотен миллиампер при более низком напряжении. Устройство обладает функцией самовосстановления (удержания). При отключении питания нагрев, вызванный током утечки, прекращается, и ПТК-устройство остывает. При охлаждении устройство восстанавливает свою первоначальную кристаллическую структуру и возвращается в состояние низкого сопротивления, способное пропускать ток в соответствии со спецификациями устройства. Обычно охлаждение занимает несколько секунд, однако сработавшее устройство может сохранять немного повышенное сопротивление в течение нескольких часов, если мощность, подаваемая на него, невелика или устройство часто использовалось, постепенно приближаясь к исходному значению сопротивления. Сброс часто не происходит, даже если неисправность устранена, а питание остается включенным, поскольку рабочий ток может превышать ток удержания ПТК-устройства. Устройство может не вернуться к своему первоначальному значению сопротивления, а скорее стабилизируется на значительно более высоком уровне (до 4 раз больше начального значения). Для возврата к сопротивлению, близкому к исходному, могут потребоваться часы, дни, недели или даже годы, и это не всегда возможно. ПТК-устройство имеет номинальный ток и номинальное напряжение.

A polymeric PTC device is made up of a non conductive crystalline organic polymer matrix that is loaded with carbon black particles to make it conductive. While cold, the polymer is in a crystalline state, with the carbon forced into the regions between crystals, forming many conductive chains. Since it is conductive (the "initial resistance"), it will pass a current. If too much current is passed through the device, the device will begin to heat. As the device heats, the polymer will expand, changing from a crystalline into an amorphous state. The expansion separates the carbon particles and breaks the conductive pathways, causing the device to heat faster and expand more, further raising the resistance. This increase in resistance substantially reduces the current in the circuit. A small (leakage) current still flows through the device and is sufficient to maintain the temperature at a level which will keep it in the high resistance state. Leakage current can range from less than a hundred mA at rated voltage up to a few hundred mA at lower voltages. The device can be said to have latching functionality. When power is removed, the heating due to the leakage current will stop and the PPTC device will cool. As the device cools, it regains its original crystalline structure and returns to a low resistance state where it can hold the current as specified for the device. This cooling usually takes a few seconds, though a tripped device will retain a slightly higher resistance for hours, unless the power in it is weaker, or has been often used, slowly approaching the initial resistance value. The resetting will often not take place even if the fault alone has been removed with the power still flowing as the operating current may be above the holding current of the PPTC. The device may not return to its original resistance value; it will most likely stabilize at a significantly higher resistance (up to 4 times initial value). It could take hours, days, weeks or even years for the device to return to a resistance value similar to its original value, if at all. A PPTC device has a current rating and a voltage rating.

Приложения

Эти устройства часто используются в компьютерных блоках питания, во многом благодаря стандарту PC 97 (который рекомендует герметичный компьютер, который пользователю не требуется открывать), а также в аэрокосмической и ядерной отраслях, где замена затруднена. Другое применение этих устройств – защита аудиодинамиков, особенно высокочастотных динамиков, от повреждений при перегрузке: путем подключения резистора или лампы накаливания параллельно устройству PPTC можно создать схему, которая ограничивает общий ток, протекающий через высокочастотный динамик, до безопасного уровня, вместо полного его отключения, позволяя динамику продолжать работу без повреждений, когда усилитель выдает мощность, превышающую допустимую для высокочастотного динамика. В то время как предохранитель также может обеспечить аналогичную защиту, при его перегорании высокочастотный динамик не будет работать до тех пор, пока предохранитель не будет заменен.