7.4 Самовосстанавливающиеся предохранители

Поиски подходящего устройства для защиты цепей от перегрузки по току обратили внимание исследователей на токопроводящие полимеры с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

В отличие от позисторов, которые имеют линейную зависимость сопротивления от температуры с положительным наклоном, сопротивление материалов, подверженных фазовому переходу, может очень резко возрастать в узком диапазоне температур. Такая характеристика свойственна определенным типам токопроводящих полимеров. Эти токопроводящие полимеры используются для создания элементов защиты от перегрузки по току, обычно называемых полимерными ограничителями токовой перегрузки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, элементами защиты цепей или самовосстанавливающимися предохранителями (элементами PolySwitch).

Основа элемента PolySwitch – полимерный материал с положительным температурным коэффициентом (ПТК), содержащий произвольно расположенные цепочки из токопроводящих частиц. В нормальном режиме работы, т.е. в холодном состоянии, токопроводящие частицы соприкасаются между собой (рис.6.4) и сопротивление элемента минимально – десятые доли Ом. При относительно низкой температуре тепло, генерируемое элементом, и тепло, рассеиваемое в окружающей среде, находятся в равновесии. Возрастание тока, температуры окружающей среды или одновременное воздействие этих факторов вызывает повышение температуры элемента. Любой дальнейший рост тока или внешней температуры приводит к тому, что скорость генерации тепла в элементе превышает возможную скорость его рассеивания в окружающей среде. При этом возрастает объем аморфной фазы и разрушается структура токопроводящих цепочек, что вызывает резкое увеличение сопротивления элемента. На этой стадии даже небольшое повышение температуры приводит к очень значительному (до 10⁷ Ом) увеличению сопротивления, что, в свою очередь, вызывает снижение тока в цепи и обеспечивает ее защиту от повреждения.

Пока напряжение на элементе остается достаточно высоким, он находится в активном состоянии (т.е. обеспечивает защиту), а его температура достигает предельного значения 120–125°С. При снижении напряжения до уровня, когда количество теплоты, генерируемое элементом, и теплоты, рассеиваемой в окружающей среде, уже не уравновешиваются, происходит разрушение полимерных изолирующих участков, и предохранитель переключается в исходное состояние (самовосстанавливается). Максимальное время возврата в состояние с низким сопротивлением – от долей секунды до нескольких секунд, в зависимости от степени перегрузки по току, вызвавшей срабатывание предохранителя.

Важной особенностью самовосстанавливающегося предохранителя является время его срабатывания. Такие предохранители не реагируют на кратковременные (десятые или сотые секунды) превышения максимального тока, поскольку структура полимера не успевает перестроиться. Обычные плавкие предохранители в таком случае сразу отключат устройство.

Способность самовосстанавливающихся предохранителей ограничивать ток короткого замыкания и восстанавливать свое состояние после снятия перегрузки делает их идеальными для защиты батарейных источников питания от короткого замыкания в нагрузке.

Основными параметрами, определяющими применимость конкретного самовосстанавливающихся предохранителей, являются номинальный ток срабатывания, ток пропускания и время срабатывания устройства.

Ток пропускания - это максимальный установившийся ток, который при указанных окружающих условиях может проходить через предохранитель без его срабатывания.

Ток срабатывания – это минимальный установившийся ток, который при прохождении через предохранитель при оговоренных условиях приводит к обязательному срабатыванию этого элемента.

Время срабатывания - это период времени после возникновения перегрузки, в течение которого падение напряжения на предохранителе станет больше 80% от напряжения питания защищаемой цепи.

Температура срабатывания – это температура, при которой резко изменяется сопротивление предохранителя.

Самовосстанавливающиеся полимерные предохранители могут работать и как термопредохранители, поскольку изменение сопротивления полимера определяется фазовым переходом, который в свою очередь определяется окружающей температурой.