Самовосстанавливающиеся предохранители на фазовом переходе

Каминская Т.П., Недорезов В.Г.

САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ НА ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ

Одним из наиболее распространенных устройств защиты электрических цепей от перегрузки по току является плавкий предохранитель, основным недостатком которого является то, что после перегорания он должен быть заменен, что приводит к необходимости разборки устройства или размещения предохранителя в доступном месте. Чтобы этого избежать, производители электрооборудования используют для защиты электрических цепей биметаллические предохранители, либо керамические резисторы с положительным коэффициентом сопротивления (ТКС) - позисторы. В биметаллических предохранителях периодическое размыкание электрических контактов приводит к быстрому их разрушению из-за возникающего искрового разряда, который к тому же создает значительные электромагнитные помехи. Позисторы же сами по себе обладают значительным активным сопротивлением, потребляя большую мощность от источника питания.

Анализ научно-технической информации на основе научной и патентной литературы показывает, что новейшим достижением в области защиты электрических цепей от перегрузки по току и повышенных температур являются полимерные самовосстанавливающиеся предохранители (СП). Они представляют собой резисторы из композитного материала на основе полимера, интеркалированного углеродными наночастицами. Проводимость такого материала при обычной температуре имеет перколяционный характер и определяется свойствами проводящего углеродного кластера, распределенного между цепей кристаллического полимера. При повышении значения тока выше порогового в результате внутренней теплогенерации температура материала возрастает до 120 - 125 °С, что приводит к фазовому переходу полимера. В результате плавления кристаллических частиц полимера для материалов с положительным ТКС объем полимерного материала возрастает, что вызывает разрушение перколяционного кластера и резкое (до 106 Ом) увеличение сопротивления элемента , что равносильно размыканию цепи. В момент снятия приложенного напряжения СП автоматически переключается в исходное низкоомное состояние (самовосстанавливается). Значение сопротивления предохранителя в проводящем состоянии составляет доли Ома. Время срабатывания зависит от тока нагрузки и составляет 0,1 - 15 секунд, причем, чем больше ток, тем быстрее срабатывает предохранитель. Количество циклов переключения для самовосстанавливающихся предохранителей может достигать 3 0 0 0. В настоящее время наиболее известны полимерные предохранители фирм Bourns, Wickmann, Liffelfuse и Raichem Corporation ( PoliSwitch). В России самовосстанавливающиеся предохранители не производятся.

Наиболее характерная зависимость сопротивления СП от температуры приведена на рисунке1.

Сопротивление полимерного СП с положительным ТКС определяется внутренней температурой, которая в свою очередь зависит от двух факторов: - тепла, генерируемого при протекании

электрического тока через СП; - тепла, рассеиваемого СП в окружающую среду. Общий баланс энергии

Т2т

в данном случае представляется уравнением: ..с

I- ток в элементе, R- сопротивление СП; ^ время ; m- масса; Sохл. - площадь охлаждаемой поверхности; Ср - удельная теплоёмкость СП; Т- температура СП; Та- температура окружающей среды; к- коэффициент теплопередачи.

Рис.1 Температурная зависимость сопротивления СП

На повышение температуры СП идёт часть тепла, не рассеянная в окружающую среду тСр (%) • При

достижении теплового равновесия 12Я = к

Основными электрическими параметрами СП, определяющими их работоспособность, являются:

- Ток пропускания (!п) - максимально установившийся ток, который при указанных окружающих условиях может проходить через СП без его срабатывания.

- ток срабатывания (!сп) - минимальный установившийся ток, который при прохождении через СП приводит к обязательному срабатыванию СП.

- время срабатывания (^р) - период времени после возникновения перегрузки, в течение которого

падение напряжения на СП станет больше 8 0% от напряжения питания защищаемой цепи.

- мощность рассеяния (Ррас) - мощность, рассеиваемая СП в сработавшем состоянии ;

- начальное сопротивление ^т^) - сопротивление СП перед его подключением в схему;

БЮЕ

♦

А

у

БМО

КХЕ

♦

ш±п±ЗМО

ЬТР

ВОЕ

ТБ

«М

й

У У

БИР

Рис.1 Основные типы СП фирмы <Жау^ет» Таблица Основные параметры СП

Макс. напр. [В] Макс прер ток [А] Диапаз. токов пропуск. [А] Диапаз. раб. темпер. [0С] Сопр. в провод. состоян Располож. выводов Констр. высота [мм] Время сраб. Типовой способ монтажа

НОЕ 16 100 3...11 4 5...+8 5 от низкого до среднег о радиальное 10,2...25, 1 от малого до среднег о на печатной плате

КХЕ 60 40 0,1...3,75 4 5...+8 5 среднее радиальное 12,7...33, 5 среднее на печатной плате

КЦЕ 30 40 0,9...9 4 5...+8 5 от низкого до среднег о радиальное 9 2 2 2 1—1 г- среднее на печатной плате

БМО до 60(1) 125 (2) 0,3...2,6 4 5...+8 5 среднее для поверхностног о монтажа 1,52...3,1 8 среднее на печатной плате

ш1п1БМ О до 30(1) 4 0(2) 0,2...1,1 4 5...+8 5 от низкого до среднег о для поверхностног о монтажа 0,62...0,8 1 малое на печатной плате

ТБ 60/650 (3) 1,1/ 3 0,13 4 5...+8 5 от среднег о до высоког о для поверхностног о монтажа 3,4 (тах) среднее на печатной плате

ТК 60/ 600(3) 3/10 0,12...0,1 8 4 5...+8 5 от низкого до среднег о радиальное 10...12,6 среднее на печатной плате

ЬТР 15...24(1 ) 100 1,0...3,4 4 5...+8 5 среднее радиальное осевое 1,1 (тах) малое на элементах батареи аккумуляторо в

БКР 15...24(1 100 1,2...4,2 - от осевое 1,1 (тах) малое на элементах

45...+8

5

низкого

до

среднег

о

батареи

аккумуляторо

в

- максимальное сопротивление ^1) - максимальное сопротивление СП при комнатной температуре

через 1 час после срабатывания;

- максимальное напряжение (Утах) и ток срабатывания (1тах) - максимальные значения напряжения и

тока, которые могут быть прерваны СП при возникновении перегрузки, без опасности разрушения самого защитного элемента.

Важной чертой полимерных СП является температурная зависимость их параметров. Чем выше температура окружающей среды, тем меньше изменение температуры требуется для срабатывания предохранителя. Это приводит к ускорению размыкания цепи при возникновении перегрузки по току.

Благодаря этим характеристикам уже сегодня полимерные самовосстанавливающиеся предохранители находят широкое применение для защиты электрических цепей персональных компьютеров, трансформаторов, электромоторов, звуковоспроизводящей техники аккумуляторных батарей, медицинского оборудования и автомобильных электроприводов.

Благодаря своим небольшим размерам и способности к самовосстановлению СП может быть расположен в непосредственной близости от электродвигателя или даже встроен в него. Для этого СП за рубежом выпускаются в различных типах корпусов с проволочными или плоскими выводами, либо в малогабаритных корпусах предназначенных для поверхностного монтажа.

Основные типы (семейства) СП фирмы <Жау^ет» приведены на рис.2, а в таблице приведены их основные параметры

Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов (ФГУП «НИИЭМП», г.Пенза) в настоящее время проводится разработка полимерных СП и в 2006 году планируется выпуск опытных образцов СП для поверхностного монтажа.