Bezpiecznik polimerowy (ang. polymer fuse) jest elementem elektronicznym wielokrotnego działania służącym do zabezpieczenia obwodu przed skutkami zwarć i przeciążeń. Elementy te mają bardzo szerokie zastosowanie w elektronice.

Ich największą zaletą jest to, że nie trzeba ich naprawiać ani wymieniać. Są to elementy bezobsługowe. Resetują się automatycznie po ustaniu przyczyny usterki co zwiększa niezawodność urządzeń w których są stosowane. Przekłada się to na niższe koszty serwisu i gwarancji.

Bezpieczniki polimerowe stosuje się jako zabezpieczające elementy szeregowe między źródłem zasilania Uin (bateria, zasilacz, źródło zasilania) a obciążeniem (RL) jak ilustruje to poniższy rysunek.

Rys. 1. Zastosowanie bezpiecznika polimerowego:

U_in - źródło zasilania
PF (Polymer Fuse) - bezpiecznik polimerowy
R_L - chronione obciążenie
I - prąd płynący w obwodzie

Na schematach ideowych układów elektronicznych bezpieczniki polimerowe często oznacza za pomocą standardowego symbolu bezpiecznika:

Można też spotkać inne symbole:

Elementy te występują jako elementy przewlekane i w postaci SMD. Poniżej zdjęcia najbardziej typowych bezpieczników polimerowych (skala na linijce w mm):

Bezpieczniki polimerowe mają dodatni współczynnik temperaturowy co oznacza, że ze wzrostem temperatury rośnie ich rezystancja dlatego określane są PPTC czyli polimer o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. "Polymeric Positive Temperature Coefficient") i zaliczają się do podzespołów PTC takich jak np. termistory (ang. "Positive Temperature Coefficient") co oznacza, że rezystancja rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury pozwalając tym elementom chronić obwód i siebie. Istnieją również elementy NTC (ang. "Negative Temperature Coefficient") w których rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Wykres poniżej pokazuje krzywe elementów PTC i NTC: rezystancja w funkcji temperatury. Wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji dna elementów PTC, a w przypadku podzespołów NTC spadek rezystancji:

R - Rezystancja
T - Temperatura

Dużą i największą zaletą bezpieczników polimerowych PPTC w stosunku do bezpieczników topikowych jest możliwość wielokrotnego działania (autoreset). Nie oznacza to, że są to elementy wieczne. Trwałość wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu rozłączeń w zależności od producenta.

Zasada działania bezpieczników polimerowych jest prosta do wyjaśnienia. Wykonane są ze specjalnego polimeru i jako materiał przewodzący stosuje się w nich cząsteczki przewodzącego prąd węgla. W normalnych warunkach pracy czyli niskiej (zimnej) temperaturze polimer jest w formie krystalicznej wykazując właściwości ciała stałego, które utrzymuje cząsteczki węgla w formie dobrze przewodzących prąd połączeń. Oporność, rezystancja jest bardzo mała co pozwala na przepływ prądu z małym spadkiem napięcia. Jest to normalny tryb pracy.

Rys. 2. Normalny tryb pracy

• Normalny stan pracy
• Niska temperatura
• Niska rezystancja
• Łańcuchy przewodzącego węgla przewodzą prąd

W przypadku przeciążenia lub zwarcia przez bezpiecznik PPTC zaczyna płynąć duży prąd. Temperatura rośnie i zaczyna wydzielać się na nim energia cieplna o mocy P = I2 x R zgodnie z prawem Ohma. Polimer rozgrzewa się gwałtownie i powyżej temperatury 100°C zanika forma krystaliczna, oraz wzrasta objętość polimeru, co skutkuje przerwaniem przewodzących prąd łańcuchów węgla. Powoduje to gwałtowny wzrost rezystancji do około dziesięciu milionów razy przy wzroście temperatury od 100°C do 140°C. Ten intensywny wzrost oporu minimalizuje płynący przez bezpiecznik i układ prąd nie powodując uszkodzeń elementów w chronionym przez bezpiecznik polimerowy obwodzie. Element przechodzi w stan przeciążenia. W tym stanie przez bezpiecznik płynie bardzo mały prąd powodując wydzielanie się małej mocy strat, która utrzymuje jego wysoką temperaturę na poziomie około 140°C. Występuje też na nim praktycznie całe napięcie zasilania. Jeżeli ustanie przyczyna zwarcia, przeciążenia temperatura bezpiecznika zaczyna spadać i poniżej 100°C polimer odzyskuje formę krystaliczną, zmniejszając objętość i odtwarzając połączenia w przewodzących prąd łańcuchach węgla. Powoduje to powrót bezpiecznika do stanu niskiej rezystancji wznawiając prawidłowe działanie obwodu.

Rys. 3. Stan przeciążenia

• Stan przeciążenia
• Wysoka temperatura
• Wysoka rezystancja
• Przerwane łańcuchy przewodzącego węgla
• Mały prąd

Na poniższym wykresie widać zależność rezystancji bezpiecznika od temperatury i jak widać powyżej 100°C następuje bardzo gwałtowny wzrost rezystancji. Powyżej temperatury 110°C - 130°C oporność bezpiecznika rośnie do prawie 10MΩ (dziesięciu milionów Ohm).

R - Rezystancja
T - Temperatura

Należy zaznaczyć, że zmiany temperatury otoczenia mają wpływ na jego parametry pracy. Nie tylko przekroczenie prądu wyzwalającego (I_trip) powoduje wzrost temperatury bezpiecznika. Jeżeli element ogrzejemy zewnętrznym źródłem ciepła powyżej 110°C np. opalarką elektryczną to nawet przy bardzo małym prądzie płynącym przez bezpiecznik element przejdzie w stan przeciążenia. Łańcuchy węgla ulegną przerwaniu.

Zdjęcie zrobione kamerą termowizyjną (FLIR 5) bezpiecznika polimerowego przewlekanego THT o prądzie 900mA znajdującego się w stanie przeciążenia (zwarcia). Jak widać element rozgrzał się do temperatury 116°C:

Poniżej tabelka z elektrycznymi parametrami bezpiecznika polimerowego 0,9A "30R090", przewlekanego produkowanego przez firmę Littelfuse:

Wyjaśnienie parametrów:

I_hold - "Hold Current (A)" - maksymalny prąd, który nie powoduje zadziałania bezpiecznika polimerowego w temperaturze +20°C. Czyli prąd pracy.

I_trip - "Trip Current (A)" - prąd wyzwalający to minimalny prąd wymagany do przerwania przepływu prądu przez obwód w temperaturze +20°C. Przy tym poziomie prądu bezpiecznik nagrzewa się wystarczająco, aby przejść w stan o wysokiej rezystancji i ograniczyć prąd przeciążenia lub zwarcia.

I_max – "Max Current (A)" - maksymalny prąd zwarciowy jaki może płynąć przez bezpiecznik przy napięciu znamionowym. Parametr graniczny. Większy prąd od Imax powoduje trwałe uszkodzenie bezpiecznika.

V_max - "Max Voltage Rating" - maksymalne ciągłe napięcie robocze, jakie może wytrzymać bezpiecznik polimerowy bez uszkodzenia przy maksymalnym prądzie znamionowym Ihold.

UWAGA! Jest to bardzo istotny parametr, ponieważ przy zwarciu i przełączeniu się bezpiecznika w stan wysokiej rezystancji występuje na nim praktycznie całe napięcie zasilania. Jeżeli jest ono większe od Vmax spowoduje to trwałe uszkodzenie bezpiecznika. Większość tych elementów pracuje najczęściej w zakresie napięć do kilkudziesięciu Volt.

P_d max - "Max Power Dissipation (W)" - moc rozpraszana przez urządzenie w stanie wyłączenia (zimnym), przy nieruchomym powietrzu w temperaturze 20°C.

R_min - "Minimum Resistance (Rmin) (Ohms)" - minimalna rezystancja urządzenia w stanie początkowym (nielutowanym) w temperaturze 20°C.

R_1max - "Max Resistance (R1max) (Ohms)" - maksymalna rezystancja urządzenia w temperaturze 20°C mierzona godzinę po wyłączeniu lub lutowaniu rozpływowym w temperaturze 260°C przez 20 sek.

Max Time to Trip Current (A) – maksymalny czas do wyłączenia – odnosi się do prądu.

Max Time to Trip Time (Sec) - maksymalny czas do wyłączenia - odnosi się do czasu.

Temperatura otoczenia ma bezpośredni wpływ na działanie bezpiecznika polimerowego. Na poniższym wykresie widać charakterystykę zmiany wartości prądu ("%") w funkcji temperatury ("°C"). Jeżeli bezpiecznik jest umieszczony niedaleko źródła ciepła to może się od niego nagrzewać. Ten wykres pozwala uwzględnić wartość zmian prądu zadziałania.

I - Zmiany natężenia prądu
T - Temperatura

Praktycznie wygląda to następująco:

Mamy np. bezpiecznik polimerowy o I_trip 0,9A (prąd wyzwalania, zadziałania). W temperaturze 20°C punkt odniesienia przecina linię dla wartości 100%.

Jeżeli ten bezpiecznik pracuje w temperaturze -30°C to następuje zwiększenie wartości prądu wyzwalającego (I_trip) o 140% czyli:

I * 1,4 = 0,9A * 1,4 = 1,26A. Oznacza to że przy tej temperaturze bezpiecznik zadziała przy prądzie 1,26A.

Jeżeli ten bezpiecznik 0,9A pracuje np. przy temperaturze +70°C to następuje zmniejszenie wartości prądu wyzwalającego (I_trip) do wartości około 60% czyli:

I * 0,6 = 0,9A * 0,6 = 0,54A. Przy tej temperaturze bezpiecznik zadziała przy prądzie 0,54A.

Podsumowując:

Prąd (I_trip) przy którym bezpiecznik polimerowy 0,9A analizowany powyżej się wyłączy w zależności od temperatury wynosi:

1,25A przy -30°C
0,9A przy 20°C
0,54A przy 70°C

Kolejnym istotnym parametrem jest charakterystyka średniego czasu zadziałania (sekundy) w funkcji prądu (ampery) widoczna poniżej (przykład z danych technicznych bezpieczników polimerowych firmy Littelfuse). Wygląda ona podobnie jak charakterystyka bezpieczników topikowych zwłocznych.

Kiedy prąd przepływający przez bezpiecznik przekracza prąd znamionowy bezpiecznik odcina prąd płynący w obwodzie w ustalonym czasie. Te czasy w zależności od wartości prądu można odczytać na poniższym wykresie.

t - średni czas zadziałania
I - natężenie prądu

Z charakterystyki można odczytać, że bezpiecznik polimerowy o prądzie wyzwalającym I_trip 0,9A przykładowo zadziała przy prądzie:

• 1A po 100000 sekundach (166 minut)
• 2A po 40 sekundach
• 8A po 0,7 sekundy
• 25A po 0,008 sekundy

Bezpieczniki polimerowe PPTC stosowane są powszechnie w:

• przemyśle samochodowym,
• ochronie akumulatorów,
• komputerach,
• smartfonach,
• portach USB – norma wymaga zastosowania bezpiecznika kilkukrotnego użytku,
• transformatorach,
• sprzęcie AGD,
• zasilaniu urządzeń CCTV,
• maszynach przemysłowych.

Zalety stosowania bezpieczników polimerowych:

• Resetują się automatycznie po ustaniu stanu awarii a w przeciwieństwie do tradycyjnych bezpieczników topikowych po zadziałaniu nie wymagają manualnej wymiany.
• Mają małe gabaryty co pozwala na zastosowanie ich w bardzo małych urządzeniach elektronicznych jak np. telefony komórkowe.
• Wytrzymują dużo cykli zadziałania (kilkadziesiąt) co czyni je elementami trwałymi.
• Mają małą rezystancję wewnętrzną w stanie normalnej pracy.
• Zapewniają ochronę przed zwarciem i przeciążeniem.
• Są odporne na wibracje i przeciążenia.
• Charakteryzują się wysoką niezawodnością i stabilnością działania.