Полимерный позистор

Полимерный позистор — это электронный компонент, разновидность позистора (термистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления), в котором в качестве чувствительного элемента используется полимерный композитный материал. Основное свойство полимерного позистора — резкое и необратимое (в рамках рабочего цикла) увеличение электрического сопротивления при превышении определённой температуры, что позволяет использовать его в качестве самовосстанавливающегося предохранителя для защиты электрических цепей от перегрузки по току.

Принцип действия

Работа полимерного позистора основана на эффекте положительного температурного коэффициента сопротивления (ПТКС) в полимерных композитах, наполненных электропроводящими частицами, чаще всего техническим углеродом (сажей). В нормальном состоянии (при комнатной температуре) частицы углерода образуют в полимерной матрице (обычно на основе полиэтилена или других кристаллизующихся полимеров) непрерывные проводящие цепочки. Сопротивление компонента при этом мало (обычно от долей до нескольких Ом).

При протекании тока, превышающего номинальный, элемент нагревается. При достижении температуры, близкой к температуре плавления или стеклования полимерной матрицы (обычно 120–140 °C), полимер расширяется, и его кристаллическая структура переходит в аморфную. Это расширение разрывает проводящие цепочки частиц углерода, что приводит к лавинообразному увеличению сопротивления — в тысячи и десятки тысяч раз (до десятков и сотен килоом). Ток в цепи падает до безопасного уровня, ограничивая дальнейший нагрев.

После снятия перегрузки и остывания полимерная матрица возвращается в исходное кристаллическое состояние, проводящие цепочки восстанавливаются, и сопротивление компонента падает до исходного значения. Таким образом, полимерный позистор является самовосстанавливающимся элементом, не требующим замены после срабатывания.

Устройство и конструкция

Конструктивно полимерный позистор представляет собой тонкую пластину или диск из композитного материала, к противоположным сторонам которого припаяны или приварены металлические выводы (обычно никелевые или лужёные медные). Вся сборка может быть залита изолирующим компаундом или помещена в корпус (например, для поверхностного монтажа — SMD-корпус). Основные элементы:

Полимерная матрица: чаще всего используется полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) или его сополимеры, обладающие чёткой температурой плавления.
Электропроводящий наполнитель: технический углерод (сажа) с размером частиц 20–100 нм, обеспечивающий образование проводящих цепочек при концентрации выше порога перколяции (обычно 15–30 % по объёму).
Выводы: металлические электроды, обеспечивающие электрический контакт и отвод тепла.

Классификация и виды

Полимерные позисторы классифицируются по нескольким признакам:

По типу монтажа

Выводные (radial lead): с осевыми или радиальными выводами для монтажа в отверстия печатных плат. Пример: серии RXEF (Littelfuse), MF-R (Bourns).
SMD (surface mount): для поверхностного монтажа, в корпусах типоразмеров 0603, 0805, 1206, 1812 и др. Пример: серии PTC (Murata), SMD-PTC (Panasonic).
Стриповые (strap): в виде гибких полос для установки в аккумуляторные сборки.

По номинальному току и напряжению

Низковольтные (до 60 В): для защиты цепей питания электроники, USB-портов, аккумуляторов.
Средневольтные (до 250 В): для защиты цепей освещения, бытовой техники.
Высоковольтные (до 600 В): для защиты промышленного оборудования, блоков питания.

По времени срабатывания

Быстродействующие (fast trip): время срабатывания менее 1 секунды при 10-кратном превышении номинального тока.
Стандартные (standard trip): время срабатывания 1–5 секунд.

Характеристики и параметры

Основные электрические и тепловые параметры полимерных позисторов:

Номинальный ток удержания (I_h) — максимальный ток, который может протекать через компонент без его срабатывания при температуре 25 °C. Обычно от 0,05 до 10 А.
Номинальный ток срабатывания (I_t) — минимальный ток, при котором компонент гарантированно переходит в высокоомное состояние. Обычно в 2–3 раза выше I_h.
Максимальное рабочее напряжение (V_max) — максимальное постоянное напряжение, которое может быть приложено к компоненту в высокоомном состоянии. Обычно от 6 до 600 В.
Максимальный ток срабатывания (I_max) — максимальный ток, который может выдержать компонент при срабатывании без разрушения.
Начальное сопротивление (R_min) — минимальное сопротивление при 25 °C до срабатывания.
Сопротивление после срабатывания (R_1) — сопротивление в высокоомном состоянии при 25 °C после остывания (обычно незначительно выше начального).
Время срабатывания — время, за которое сопротивление возрастает до заданного уровня при определённом токе.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) — положительный, резко возрастает вблизи температуры перехода.

Применение

Полимерные позисторы широко используются в электронике и электротехнике для защиты от перегрузки по току и короткого замыкания. Основные области применения:

Защита цепей питания: блоки питания, зарядные устройства, адаптеры, USB-порты (например, в компьютерах и ноутбуках).
Защита аккумуляторов: литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, аккумуляторные батареи портативной электроники, электроинструмента, электромобилей.
Защита двигателей: маломощные электродвигатели (вентиляторы, насосы, игрушки), защита от заклинивания.
Защита трансформаторов: ограничение пусковых токов, защита от перегрузки.
Защита линий связи: телефонные линии, Ethernet, CAN-шины, интерфейсы RS-485.
Защита датчиков и сенсоров: в промышленной автоматике, автомобильной электронике.
Бытовая техника: стиральные машины, микроволновые печи, кофеварки, пылесосы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Самовосстановление: не требует замены после срабатывания, что снижает стоимость обслуживания.
Малые габариты: позволяет защищать компактные устройства.
Быстродействие: время срабатывания может составлять доли секунды.
Безыскровой разрыв: отсутствие искр при срабатывании, что важно для взрывобезопасных применений.
Простота использования: не требует внешних схем управления.

Недостатки

Ограниченный ток срабатывания: не подходит для защиты цепей с очень высокими токами (более 10–20 А).
Влияние температуры окружающей среды: номинальный ток удержания снижается при повышении температуры.
Ограниченный ресурс: количество циклов срабатывания ограничено (обычно 100–1000), после чего параметры могут ухудшиться.
Высокое остаточное сопротивление: после срабатывания сопротивление может оставаться несколько выше начального, что увеличивает потери.
Необратимое срабатывание при превышении максимального тока: при токах выше I_max компонент может разрушиться или потерять способность к восстановлению.

История

Первые полимерные позисторы были разработаны в 1970-х годах в США компанией Raychem (ныне подразделение TE Connectivity). В 1979 году компания представила серию PolySwitch — первые коммерчески доступные самовосстанавливающиеся предохранители. В 1980-х годах технология была усовершенствована, и полимерные позисторы начали массово применяться в автомобильной электронике, телекоммуникациях и бытовой технике. В 1990-х годах с развитием портативной электроники и аккумуляторов спрос на них резко вырос. В России производство полимерных позисторов освоено в 2000-х годах, например, на предприятиях группы «Электродеталь» (г. Омск) и «НПП «Электрон» (г. Санкт-Петербург).

Производители

Основные мировые производители полимерных позисторов:

TE Connectivity (Raychem) — США, серии PolySwitch, RUE, RXEF.
Littelfuse — США, серии PTC, 0ZCG, 0ZCH.
Bourns — США, серии MF-R, MF-NSMF.
Murata — Япония, серии PTC, PRG.
Panasonic — Япония, серии EZP, EZPJ.
Vishay — США, серии PTC, PTCEL.
Eaton (Bussmann) — США, серии PTC, PTC2.
Российские производители: ООО «Электродеталь» (Омск), ООО «НПП «Электрон» (Санкт-Петербург), АО «Завод «Электродеталь» (г. Калуга).

Интересные факты

Полимерные позисторы часто называют «самовосстанавливающимися предохранителями» (resettable fuse), хотя они не являются предохранителями в классическом смысле, так как не разрушаются при срабатывании.
Время срабатывания полимерного позистора зависит от квадрата тока — при 10-кратном превышении номинала оно может составлять менее 0,1 секунды.
Полимерные позисторы используются в космической технике, например, в системах электропитания спутников, где важна надёжность и невозможность замены.
В некоторых моделях электромобилей (например, Tesla) полимерные позисторы применяются для защиты аккумуляторных батарей от перегрузки.

Источники

ГОСТ 21414-75 «Терморезисторы. Термины и определения».
ГОСТ Р 52029-2003 «Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Общие технические условия».
«Полимерные позисторы: теория и практика применения» — М.: Радио и связь, 2005.
Data sheets: Littelfuse PTC, TE Connectivity PolySwitch, Bourns MF-R.
«Самовосстанавливающиеся предохранители: обзор и применение» — журнал «Компоненты и технологии», № 5, 2010.
«Позисторы: от теории к практике» — журнал «Радио», № 3, 2012.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →