Dobór bezpieczników PTC – parametry katalogowe i zasady implementacji

Bezpieczniki polimerowe SMD stanowią najprostsze zabezpieczenie obwodów przed przeciążeniem lub zwarciem. Z jednej strony charakteryzują się one wielokrotnie mniejszymi wymiarami niż klasyczne bezpieczniki topikowe, z drugiej zaś mają nad nimi jedną, niezaprzeczalną zaletę: zdolność do „resetowania” po przerwaniu dopływu prądu i ostygnięciu. Aby poprawnie dobierać je do konkretnych zastosowań, trzeba jednak dokładnie zrozumieć ich metodę działania i poznać rzeczywiste znaczenie najważniejszych parametrów katalogowych.

Budowa bezpiecznika PTC

Bezpiecznik polimerowy typu PTC, czyli w skrócie PPTC, jest dwukońcówkowym elementem opartym na specjalnym polimerze krystalicznym z domieszką proszku na bazie węgla. O ile sam polimer jest dość dobrym izolatorem, to proszek węglowy stanowi doskonały przewodnik prądu. W normalnych warunkach pracy (np. w temperaturze pokojowej) cząstki proszku tworzą liczne drogi pomiędzy obydwoma wyprowadzeniami bezpiecznika, przez co jego rezystancja spoczynkowa jest bardzo niska. Nadmierny wzrost prądu powoduje nagrzewanie struktury mocą o wartości I²R, a to prowadzi do zmiany struktury polimeru. Przewodzące cząstki oddalają się od siebie, przerywając drogi przewodzenia, co powoduje gwałtowne zwiększenie rezystancji i ograniczenie prądu w obwodzie.

Co ważne, po zadziałaniu bezpiecznika PTC nadal płynie przez niego pewien prąd, niezbędny do podtrzymania bezpiecznika w stanie „wyłączenia” – moc wydzielająca się w bezpieczniku powoduje bowiem jego ciągłe podgrzewanie. Ta właśnie cecha jest jedną z największych różnic dzielących bezpieczniki PTC od topikowych – w przypadku tych ostatnich przepalenie drutu stanowi bowiem fizyczne przerwanie obwodu. Co jednak jeszcze ważniejsze, powrót bezpiecznika PTC do małej rezystancji jest możliwy po jego pełnym schłodzeniu, co zwykle odbywa się przez odłączenie zasilania i… usunięcie przyczyny zwarcia.

Skrót PTC (Positive Temperature Coefficient) słusznie kojarzy się z termistorami, których rezystancja rośnie w miarę wzrostu temperatury. Taką właśnie charakterystykę wykazują bowiem także omawiane bezpieczniki, choć w tym przypadku nachylenie krzywej rezystancji w funkcji temperatury jest bardzo duże – właśnie dzięki temu bezpieczniki polimerowe mogą skutecznie realizować powierzoną im funkcję. Czas zadziałania bezpiecznika PTC zależy przede wszystkim od natężenia prądu, a dodatkowo także od temperatury otoczenia i przeważnie jest podawany w nocie katalogowej dla ściśle określonych warunków pracy – zazwyczaj wynosi on od ułamka sekundy do kilku sekund. Trzeba jednak pamiętać, że w przypadku niewielkiego przekroczenia wartości progowej czas ten może być znacznie wydłużony.

Parametry katalogowe

Przy stosowaniu bezpieczników PTC niezwykle istotne jest dokładne rozróżnienie pomiędzy poszczególnymi parametrami elektrycznymi. A ponieważ najlepiej jest opisywać je na konkretnych przykładach, w tej części artykułu przyjrzymy się bezpiecznikowi o oznaczeniu SCF050-2920RB, dostępnemu w ofercie marki Akyga Passive.

W przypadku każdego bezpiecznika polimerowego podawane są trzy najważniejsze parametry prądowe.

• I_hold określa największy prąd, przy którym element na pewno nie zadziała w podanych warunkach termicznych.
• I_trip jest najmniejszym prądem gwarantującym zadziałanie w tych samych warunkach otoczenia.
• I_max to maksymalna wartość prądu zwarciowego, którą jest w stanie przenieść bezpiecznik PTC bez ryzyka jego uszkodzenia, o ile nie zostanie przekroczona wartość maksymalnego napięcia V_max.

Pomiędzy wartościami I_hold oraz I_trip znajduje się obszar nieokreślony: zachowanie konkretnego egzemplarza zależy bowiem m.in. od temperatury otoczenia czy nieuniknionych rozrzutów produkcyjnych.

V_max oznacza dopuszczalne napięcie na bezpieczniku – także (a raczej – szczególnie) po jego zadziałaniu, gdyż wtedy właśnie może odłożyć się na nim niemal całe napięcie zasilania obwodu.

Przykład praktyczny

Spójrzmy teraz na zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami prądowymi bezpiecznika SCF050-2920RB. Prąd „trzymania” (I_hold) wynosi w tym przypadku 500 mA, a wartość I_trip to 1,0 A. Obszar przejściowy ma zatem szerokość równą 100% wartości prądu trzymania i taki właśnie stosunek obu wartości jest zdecydowanie najczęściej spotykany w notach katalogowych. Z kolei natężenie I_max jest aż 100-krotnie większe od I_trip – nietrudno domyślić się, że w przypadku komponentu o wymiarach około 8 x 5 x 1 mm tak duży prąd może przepłynąć przez element (bez ryzyka jego uszkodzenia) tylko przez krótką chwilę, wyznaczoną de facto przez.. czas zadziałania bezpiecznika.

Nota katalogowa SCF050-2920RB podaje maksymalną wartość napięcia stałego równą 60 V. W tej grupie komponentów jest to relatywnie sporo – trzeba bowiem pamiętać, że mniejsze bezpieczniki często mają napięcie maksymalne ograniczone do zaledwie kilku…kilkunastu woltów.

Warto w tym miejscu zwrócić szczególną uwagę na trzy pojawiające się w katalogu wartości rezystancji. Rmin i Rmax określają graniczne wartości rezystancji bezpiecznika w temperaturze 25°C. Jeżeli jednak bezpiecznik zadziała (chociażby jeden jedyny raz), jego struktura zwykle nie powraca do tego samego stanu – rezystancja może być nawet kilka razy większa niż przed zwarciem.

Uwaga – w notach katalogowych można spotkać to samo oznaczenie R_1max służące do opisu rezystancji mierzonej po dwóch diametralnie różnych zdarzeniach: po zadziałaniu (gwałtowny wzrost rezystancji jest określany mianem trip) bądź też po cyklu lutowania rozpływowego. Jeżeli zatem producent podaje, że dana wartość R_1max dotyczy stanu po lutowaniu, to w projekcie należy uwzględnić tę właśnie liczbę jako maksymalną rezystancję bezpiecznika w gotowym (zmontowanym) urządzeniu – nawet, jeśli jest ono fabrycznie nowe i bezpiecznik ani razu nie został poddany działaniu prądu zwarciowego.

Temperatura i warunki montażu

Warto pamiętać, że wartość I_hold maleje wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Dobór bezpiecznika wymaga zatem spełnienia warunku:

rzecz jasna z odpowiednim zapasem na tolerancje obciążenia. Nie zawsze jednak producenci podają w notach katalogowych tabele bądź wykresy ilustrujące zależność I_hold od temperatury otoczenia – w przypadku urządzeń pracujących w szerokim zakresie temperatury stosuje się specjalne, wysokotemperaturowe odmiany bezpieczników PTC.

Dodatkowo trzeba także zwrócić uwagę na zalecane przez producenta warunki montażu. Jeżeli bowiem wiemy, że bezpieczniki PTC są – z definicji – elementami wrażliwymi na temperaturę, a ich silne nagrzanie może delikatnie zmienić strukturę polimeru, to nietrudno dojść do wniosku, że także lutowanie w zbyt wysokiej temperaturze może prowadzić do uszkodzenia elementu już na etapie produkcji urządzenia. Parametry procesu montażowego bezpiecznika SCF050-2920RB pokazano poniżej.

Podsumowanie

Pozornie proste w konstrukcji i działaniu bezpieczniki polimerowe są w istocie charakteryzowane przez szereg parametrów elektrycznych i środowiskowych, których dogłębne zrozumienie pozwala poprawnie stosować te elementy w praktyce. Szczególną uwagę trzeba zwrócić na wartości prądów I_hold oraz I_trip, a także dopuszczalne napięcie i zakres rezystancji przed oraz po zwarciu bądź lutowaniu. Niemniej ważne są jednak warunki otoczenia, gdyż wraz z temperaturą istotnie zmienia się zarówno obciążalność prądowa bezpiecznika, jak i – potencjalnie – czas jego zadziałania w przypadku awarii obwodu.

Źródła

1. Bourns: Multifuse – poradnik
2. Bourns: dobór PPTC
3. Bourns: działanie PPTC
4. SCF050-2920RB: nota katalogowa
5. Littelfuse: dobór PTC

Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components

Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com