Оглавление
Когда дело доходит до компонентов для защиты электронных схем, имеется вполне широкий выбор таких деталей. Это традиционные проволочные предохранители, плавкие резисторы, термисторы и электронные предохранители. Обычные предохранители обеспечивают лишь базовый уровень защиты от перегрузки по току и короткого замыкания. Их можно дополнить терморезисторами, позволяющими ограничить пусковой ток. Резисторы с предохранителем обеспечивают как контроль пускового тока, так и защиту от перегрузки по току и короткого замыкания. Наиболее полную защиту обеспечивают электронные предохранители, которые одновременно защищают от целого ряда нежелательных событий. Таким образом, выбор компонента зависит от результата анализа риска возникновения конкретной проблемы в данной цепи.
Как устроен предохранитель
Предохранители считаются самым слабым звеном. Если через них протекает ток, превышающий допустимый, они перегорают, разрывая цепь. Благодаря этому другие компоненты защищены от перегрузки по току из-за короткого замыкания или неправильного включения. Их термическое повреждение исключено, что снижает риск поражения электрическим током пользователей устройства или возгорания прибора. Предохранители являются компонентами одноразового использования. Если они перегорели — их нужно заменить.
Это конструктивно простые элементы. В их корпусе находится тонкая металлическая проволока, обеспечивающая проводимость цепи в нормальных условиях и прерывающая ее плавлением под действием тепла, образующегося в ней при протекании чрезмерного тока. Обычно это медная проволока, покрытая тонким слоем олова (для защиты от коррозии). Предохранители доступны в различных исполнениях. Они также отличаются параметрами, адаптированными для применения в промышленности и электронике.
Типы предохранителей
Закручивающиеся предохранители и плавкие вставки. Эти элементы также классифицируются по времени отклика. По этому критерию выделяют быстродействующие, которые являются наиболее популярным типом — они имеют короткое время срабатывания и обычно защищают от коротких замыканий и перегрузок по току. Еще имеются предохранители с задержкой срабатывания, — они полезны там где ожидаются нормальные кратковременные всплески или пусковые токи, например, при запуске двигателей.
Полупроводниковые предохранители имеют очень короткое время срабатывания и предназначены для защиты полупроводниковых компонентов. С другой стороны, токоограничивающие предохранители перегорают менее чем за пол периода. Их используют, когда важно минимизировать последствия короткого замыкания.
Существуют также предохранители, предназначенные для использования в цепях высокого напряжения, таких как схемы электрораспределения, цепи низкого напряжения (схемы освещения и управления), переменного тока (более устойчивы к электрической дуге в случае перегорания) и тока постоянного.
Параметры предохранителей
В документации предохранителей содержится информация об их номинальном токе. Он устанавливается производителями в конкретных условиях испытаний. Рекомендуется, чтобы предохранители срабатывали не более чем на 75% от их номинала. Отключающая способность, – это максимально допустимый ток который предохранитель может безопасно провести при номинальном напряжении (также указанном в спецификации), оставаясь неповрежденным и обеспечивая разомкнутую цепь.
- Если этот параметр предохранителя окажется слишком мал по отношению к нормальному току в цепи, он быстро перегорит и такая ситуация вновь повторится при замене на аналогичную модель.
- Если же отключающая способность выбрана со слишком большим запасом, то предохранитель не защитит цепь от перегрузки по току. В документации также указана характеристика срабатывания, определяющая скорость его реакции на различные токовые перегрузки.
Плавкие резисторы
Эти элементы функционируют как токоограничивающие резисторы и предохранители, сочетая в одном компоненте преимущества защиты от пускового тока и защиты от пиковых токов. В обычных условиях эксплуатации они действуют как резисторы, ограничивая ток. Но если его ток превышает определенный порог, плавкий элемент внутри резистора перегорает и прерывает цепь, защищая другие ее компоненты от повреждений. В дополнение к своей двойной функциональности, резисторы с предохранителями реагируют на перегрузку по току иначе чем предохранители, что может повлиять на другие компоненты схемы.
Величина сопротивления плавких резисторов колеблется от миллиом до нескольких десятков Ом. Время срабатывания большинства плавких резисторов аналогично времени срабатывания предохранителей. Некоторые быстродействующие плавкие резисторы могут реагировать на внезапные короткие замыкания за время реакции менее 20 мкс. В технических характеристиках обычные предохранители классифицируются по способности отключать ток, а плавкие резисторы — по протекающей мощности.
Ограничение плавких резисторов
Плавкие резисторы обычно изготавливаются из никель-хромового сплава с температурой плавления около +1400°С. Этот материал характеризуется низким температурным коэффициентом сопротивления. Благодаря этому плавкие резисторы обладают стабильным сопротивлением в широком диапазоне температур.
Предохранители, в свою очередь, обычно представляют собой медные или серебряные элементы, температура плавления которых обычно от +962°С до +1083°С. Они также имеют высокий температурный коэффициент сопротивления, как минимум в 10 раз превышающий аналогичный показатель плавких резисторов из никель-хромовых сплавов. В результате сопротивление предохранителя увеличивается быстрее и он скорее достигает точки плавления. Это предотвращает накопление тепла, которое происходит с плавкими резисторами. Более сильный нагрев последних может привести к повреждению печатной платы и других компонентов, находящихся рядом с ними.
Для моделей мощностью до 10 Вт другие электронные компоненты должны располагаться на расстоянии не менее сантиметра. Но если номинальная мощность защитного резистора превышает 10 Вт, требуется ещё большее расстояние. В случае с устройствами, заключенными в компактные корпуса, например блоками питания для мобильных устройств, это существенно усложняет расположение компонентов на печатной плате.
Поэтому, хотя может показаться что плавкие резисторы в виде отдельных элементов экономят место, два отдельных элемента могут оказаться более эффективной альтернативой в этом отношении. Предохранитель и термистор могут обеспечить эквивалентную защиту от перегрузки по току и ограничение пускового тока.
Термисторы
Термисторы – это резисторы, сопротивление которых зависит от температуры. Его изменение по температуре больше, чем в случае обычных резисторов. Температурные характеристики термисторов сильно нелинейны. Эти компоненты изготовлены из полупроводниковых материалов, обычно из оксидов металлов, таких как кобальт, марганец или никель.
Существует два типа термисторов в зависимости от того, как их сопротивление изменяется с температурой. Это элементы с отрицательным температурным коэффициентом NTC (Отрицательный Температурный Коэффициент), сопротивление которого уменьшается с ростом температуры, и положительным PTC (Положительный Температурный Коэффициент), для которых эта зависимость обратная.
Параметры терморезисторов
Наиболее важными параметрами термисторов являются: значение сопротивления при нулевой нагрузке (без нагрузки), постоянная β, постоянная α, тепловая постоянная времени τ и коэффициент потерь δ. В первом указывается значение сопротивления, измеренное при определенной температуре, обычно +25°C, при этом мощность, рассеиваемая термистором, настолько мала, что дальнейшее ее уменьшение приведет к изменению сопротивления не более чем на 0,1%.
- Константа β представляет собой наклон характеристики сопротивления в зависимости от температуры.
- Константа α — температурный коэффициент, характеризующий процентное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус.
- Термическая постоянная времени τ — это время, за которое термистор меняет 63% общей разницы между начальной и конечной температурами из-за ступенчатого изменения температуры при нулевой мощности.
- Коэффициент рассеяния δ представляет собой отношение изменения мощности, рассеиваемой в термисторе, к результирующему изменению температуры при данной температуре окружающей среды.
Термисторы как с положительным, так и с отрицательным температурным коэффициентом, используются для защиты цепей от проблем с током в качестве защиты от перегрузки по току и ограничителя пускового тока соответственно. Во втором случае при включении NTC-термистор имеет высокое сопротивление, что ограничивает пусковой ток. По мере нагревания его сопротивление уменьшается, позволяя току увеличиться до номинального значения после запуска. В случае защиты от короткого замыкания протекание чрезмерного тока нагревает PTC-термистор, увеличивая его сопротивление, что, в свою очередь, ограничивает ток.
Электронные предохранители
Электронные предохранители представляют собой специализированные интегральные схемы. В зависимости от функционала они могут защищать от коротких замыканий, превышения токов, перенапряжений, обратных токов и чрезмерных температур и даже контролировать пусковые токи. На них не распространяются ограничения ранее описанных компонентов защиты дискретных цепей от текущих проблем. Например, в отличие от обычных предохранителей, их можно сбрасывать, некоторые даже автоматически, через заданные промежутки времени, обычно порядка нескольких сотен миллисекунд (пока неисправность не будет устранена). Они также работают быстрее. Обычно электронные предохранители срабатывают в течение сотен наносекунд, тогда как дискретные компоненты — примерно за секунду.
