Основные критерии выбора предохранителя в защитных схемах электронных устройств

Безусловным фактом является то, что электрическую схему любого электронного устройства необходимо защищать от различных воздействий: перенапряжений, импульсов высокой амплитуды (электростатический разряд, удар молнии), различных видов помех (синфазных, дифференциальных, перекрестных и т.д.). Один из типовых вариантов схем защиты представлен на рисунке 1. На этой схеме присутствует плавкий предохранитель, защищающий остальную схему от перегрузки по току, TVS-диод, защищающий схему от импульсов высокой амплитуды и перенапряжений, синфазный фильтр для подавления синфазных помех, а также сглаживающий конденсатор малой емкости. Рассмотрим отдельный элемент приведенной схемы – предохранитель.

Рис. 1. Фильтрующая схема

Идея использования плавкой вставки для защиты от коротких замыканий была предложена еще в XIX веке. Первый предохранитель, созданный в 1890 году в лаборатории Эдисона, представлял собой открытую конструкцию на базе лампочки с плавкой вставкой из проволоки. Более привычная для нас форма и концепция сменных защитных компонентов была реализована в 1914 году, когда появились предохранители общего назначения и автомобильные предохранители.

Рядовой пользователь может совершить много ошибок, выбирая предохранитель, ведь он опирается в основном на форм-фактор, рейтинг тока и рабочее напряжение. Однако с точки зрения разработчика все оказывается значительно сложнее, так как предохранители обладают множеством других параметров, которые следует учитывать при проектировании сложного электронного устройства. Рассмотрим набор важных характеристик плавких предохранителей.

Наиболее важной и информативной характеристикой плавкого предохранителя является вовсе не рейтинг тока, а его ампер-секундная характеристика, которая представляет из себя зависимость величины фактического времени срабатывания от ожидаемого постоянного или переменного синусоидального тока. Так, например, на рисунке 2 приведена ампер-секундная характеристика плавких предохранителей серии 438 компании Littelfuse.

Рис. 2. Ампер-секундная характеристика плавких вставок серии 438 Littelfuse

Как видно из графика, предохранитель не является идеальном элементом и имеет существенную инерцию – время его срабатывания зависит от величины тока. В частности, предохранитель с рейтингом тока 0,375 А даже при величине тока 0,9 А сработает только через 10 секунд.

Однако разработчик должен понимать, что инерция и задержка срабатывания предохранителя – это не всегда является недостатком, так как во многих устройствах присутствуют штатные перегрузки по току.

Существует несколько типов плавких предохранителей, которые определяются стандартом ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005:

• FF – сверхбыстродействующие плавкие вставки;
• F – быстродействующие плавкие вставки;
• М – полузамедленные плавкие вставки;
• Т – замедленные плавкие вставки;
• ТТ – сверхзамедленные плавкие вставки.

В дополнении к вышесказанному следует упомянуть, что указываемый производителем рейтинг тока характеризует такой ток через плавкую вставку, который она может выдержать в течение определенного времени.

Недостатком ампер-секундной характеристики является то, что она применима для расчета предохранителя для работы только с постоянным или переменным синусоидальным током, однако во многих приложениях предохранитель защищает цепи, в которых протекают импульсные токи различной формы. Чтобы рассчитать энергию, которая будет выделена на предохранителе, используют интеграл Джоуля или I²t.

Интеграл Джоуля (I²t) – интеграл квадрата тока за определенный период времени, выраженный в амперах в квадрате в секунду и равен энергии в джоулях, выделяемой на резисторе 1 Ом в цепи, защищаемой плавким предохранителем. Расчет I²t является важным параметром при выборе предохранителя. Разберем методику расчета данной характеристики подробнее.

I²t рассчитывается исходя из вида импульса и их количества. На рисунке ниже приведены формы импульсов и формулы для расчета I²t.

Рис. 3. Расчетные формулы I²t для соответствующих видов импульсов

Так, например, рассчитаем I²t предохранителя для схемы на рисунке 3. В текущей схеме присутствует три фильтрующих конденсатора. Будем считать, что мы имеем идеальный источник напряжения, не имеющий внутреннего сопротивления. Напряжение питания составляет 75 В. Тогда ток заряда конденсатора в момент времени t будет ограничиваться только омическим сопротивлением предохранителя, и будет равен:

  (1)

А конкретное значение напряжения на обкладках конденсатора в момент времени t имеет вид:

    (2)

где t – время; t – постоянная времени для RC-контура.

Как известно t = RC. В нашем случае ограничивающим сопротивлением R является сопротивление предохранителя R_Fuse. Тогда (2) будет иметь вид:

Также считается, что максимальное количество энергии будет выделено за время, равное половине времени импульса. Тогда из (2) получим время полузарядки конденсатора t_0,5:

                                                               

          (3)

                                                                                                             

Подставим (3) в формулу для расчета интеграла джоуля для импульса экспоненциальной формы:

(4)

Пользуясь формулой (4) мы можем рассчитать I²t для емкостей в схеме, чтобы определить максимальную энергию, которую должен выдержать предохранитель, т.е. значение I²t, указанное в документации на плавкую вставку, должно быть больше, чем значение I²t для схемы. Применим формулу (4) для схемы на рис.1 и подберем предохранитель.

Рассмотрим два типа предохранителей для номинального тока 750 мА.

Таблица

Суммарная емкость схемы будет равна сумме всех присутствующих емкостей:

Подставляя данные в формулу (4) сверхбыстродействующего предохранителя, для суммарной емкости получим:

Как видно, полученное значение I²t для емкостей схемы в разы больше значения, которое может выдержать предохранитель, т.е. плавкая вставка расплавится и разомкнет цепь при включении питания, поэтому необходимо подобрать другой предохранитель.

Используя замедленный тип предохранителя, для суммарной емкости получим:

Характеристика I²t с замедленным типом предохранителя больше, чем значение для схемы в 2,5 раза, поэтому для конкретного случая правильным будет выбрать этот предохранитель.

Таким образом, чтобы защитить схему правильно, необходимо грамотно подходить к выбору любого компонента защитной схемы. В данном основное внимание были рассмотрены основные характеристики плавкого предохранителя: его ампер-секундная характеристика и интеграл Джоуля. Также получены формулы для расчета I²t, позволяющие оценивать энергетическую характеристику схемы.