Одна из проблем, возникающих при эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры — защита радиоэлементов, чаще всего полупроводниковых приборов, от перегрева. Как известно, с увеличением температуры корпуса (и кристалла) возрастают обратные токи p-n переходов, изменяются параметры и снижаются максимально допустимые ток и напряжение. Существенный перегрев может привести к выходу прибора из строя. Такая ситуация может возникнуть при возникновении аварии, высокой температуры окружающего воздуха или нахождении устройства на прямых солнечных лучах.
Температура элементов зависит не только от протекающего через них тока и падающего напряжения, но и от температуры окружающей среды, наличия расположенных близко других тепловыделяющих элементов, размеров корпуса, наличия вентиляционных отверстий, теплоотвода и др. Если размеры устройства ограничены и не позволяют установить эффективный теплоотвод, выходом из ситуации может быть введение защиты от перегрева. Кстати, большинство микросхем мощных стабилизаторов напряжения, например, серии 78хх, имеют такую встроенную защиту.
Для такой защиты применяют специальные элементы — термопредохранители, которые размыкают цепь питания при достижении определённой температуры. Термопредохранители бывают многоразовые (самовосстанавливающиеся), например, серии KLSxx на основе биметаллических контактов, и одноразовые, например, серии TZxx на основе легкоплавкого сплава. Конечно, у тех и у других есть свои преимущества и недостатки. Но если нет возможности приобрести такие предохранители или они не подходят по другим параметрам, в качестве термопредохранителей можно применить так называемые самовосстанавливающиеся предохранители (СП), известные под торговыми марками PolySwitch, Polyfuse и некоторыми другими.
Предназначены они для защиты по току и представляют собой полимерные терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Конструктивно такой терморезистор представляет собой пластину из диэлектрического полимерного материала (как правило, полиэтилена) с наполнителем из проводящего материала (в большинстве случаев — графит). При температуре ниже критической (или температуре перехода) полимер имеет поликристаллическую структуру и между кристаллами остаётся пространство, заполненное графитом. Так образуются проводящие каналы, которые и обеспечивают малое сопротивление СП. При разогреве выше критической температуры (120… 125 °С) кристаллическая структура начинает трансформироваться в аморфную.
Этот процесс сопровождается механическим расширением, и полимер вытесняет графит. В результате проводящие каналы разрушаются, а сопротивление резко увеличивается. После охлаждения структуры проводимость восстанавливается. В штатном применении за счёт проходящего тока происходит саморазогрев предохранителя до критической температуры. В зависимости от габаритных размеров и конструкции значение тока срабатывания может быть в интервале от десятков миллиампер до десятков ампер и сильно зависит от температуры окружающей среды. Чем меньше размеры, тем меньше и ток срабатывания.
Но СП всё равно сработает, если разогреть его до критической температуры с помощью постороннего источника тепла, например, корпуса транзистора или микросхемы. Если установить СП в коллекторную (рис. 1) или эмиттерную цепь регулирующего транзистора стабилизатора напряжения и обеспечить между ними тепловой контакт, получится защита от перегрева. Когда температура корпуса превысит 120… 125 °С. ток через транзистор будет ограничен. Кроме того, защита по току также останется.
Большой выбор типоразмеров СП для поверхностного монтажа (начиная с типоразмера 0402) позволяет выбрать подходящий по размерам и току срабатывания для защиты конкретного радиоэлемента. С помощью теплопроводящего клея СП приклеивают непосредственно на корпус микросхемы и включают в цепь её питания до фильтрующих конденсаторов. При установке на обмотку понижающего трансформатора СП включают в цепь вторичной обмотки, поскольку его максимально допустимое напряжение, в зависимости от типа, 30…60 В.
Если в конкретном устройстве транзистор не установлен на теплоотводе, СП можно припаять непосредственно к его корпусу (если он металлический) или к теплоотводящей пластине-фланцу, сделав дополнительный проволочный вывод (рис. 2). Для такого варианта наиболее подходящим будет СП серии MFSxx или MFSMxx. Последние часто используются на некоторых материнских платах и в других узлах персональных компьютеров. Такие СП конструктивно представляют собой металлизированную полимерную пластину толщиной не более 1 мм, с помощью пайки закреплённой между двумя Г-образными металлическими держателями (рис. 3).
Их разогревают паяльником, пластину удаляют и припаивают затем к транзистору. Следует учесть, что СП должен быть рассчитан на ток в 2…3 раза больше максимального рабочего тока защищаемого устройства, иначе он будет влиять на работу в нормальном режиме. На рис. 2 показана припаянная на корпусе транзистора пластина от СП MFSM185. Её сопротивление при температуре 25 °С — 0,04…0,15 Ом, ток удержания (максимальный ток, который может пропускать СП без перехода в непроводящее состояние) — 1,8 А, ток срабатывания (минимальный ток, при котором СП переходит в “непроводящее” состояние) — 3,6А при заданной температуре окружающего воздуха.
Все эти параметры нормируются при температуре окружающей среды 20…25°С. Максимальное допустимое напряжение этого СП — 33 В. поэтому устанавливать его следует в низковольтные цепи. Следует учесть, что “непроводящее” состояние СП можно назвать условным. В данном случае, если после срабатывания СП напряжение не будет отключено, через него будет протекать ток, поддерживающий его в нагретом состоянии. Его значение зависит от напряжения питания Uпит,. Для указанного выше варианта ток будет ограничен на уровне 120 мА при = 10 В, 60 мА — при Uпит, = 20 В и 40 мА — при Uпит, = 30 В.
Поскольку СП является позистором с резким изменением сопротивления от температуры и допускает протекание значительного тока, его можно использовать для термостатирования различных устройств. СП в данном случае работает и как датчик температуры, и как нагреватель. Правда, температура 125 °С подойдёт не для всех случаев.
