Seleção de Fusíveis PPTC: Corrente de Retenção e Derating Ambiente

Resposta rápida

Um fusível rearmável PPTC é selecionado pela suacorrente de manutenção à temperatura ambiente mais elevada no interior do invólucro, e não pelo número de destaque na primeira página. O RXEF050 de 0.50 A mantém 0.50 A a 20 °C, 0.36 A a 50 °C e apenas 0.20 A a 85 °C. Escolha um componente cuja corrente de manutenção após derating cubra a carga com pelo menos 20% de margem, confirme a corrente de disparo e o tempo de disparo para a falha que espera, e verifique se a queda de tensão e a resistência após disparo são aceitáveis para o barramento.

Principais conclusões

• A corrente de manutenção é um valor dependente da temperatura.A própria tabela de reavaliação da Littelfuse para o RXEF050 cai de 0.78 A a −40 °C para 0.20 A a 85 °C — uma variação de 74% ao longo do intervalo nominal.
• A corrente de disparo não é a mesma que a corrente de retenção.O RXEF050 dispara a 1.00 A, mas retém 0.50 A; entre esses dois valores pode permanecer durante muito tempo sem disparar, ou disparar lentamente.
• O tempo de disparo é medido a uma corrente especificada.O RXEF050 está especificado a 2.50 A com um máximo de 4.0 s; a 1.2 × I_T, o disparo pode demorar muito mais.
• O PPTC é um dispositivo de sobretensão? Não. É um dispositivo de sobrecorrente auto-rearmável e de baixo custo, não um limitador de corrente de precisão.Para limites precisos ou falhas rápidas, utilize um eFuse ou um fusível; para sobretensão, utilize um TVS.

1. O que um PPTC faz realmente

Um dispositivo polimérico de coeficiente de temperatura positivo é um polímero condutor carregado com partículas de carbono. À temperatura normal, as partículas formam cadeias condutoras e o componente comporta-se como uma resistência de baixo valor. Quando a corrente aquece o polímero acima da sua temperatura de comutação, o material expande-se, as cadeias quebram-se e a resistência aumenta em ordens de grandeza, o que faz cair a maior parte da tensão de alimentação no dispositivo e limita a corrente.

Quando a falha desaparece, o polímero arrefece, as cadeias voltam a formar-se e o componente regressa a um estado de baixa resistência. É esta toda a proposta de valor: sem substituição, sem chamada de assistência. O compromisso é que o restabelecimento é térmico, pelo que é lento — segundos, não microssegundos — e depende da temperatura ambiente e da capacidade do componente para dissipar calor.

Há um número fácil de ignorar: após um disparo, a resistência não regressa imediatamente ao seu valor original. A folha de dados indica umaresistência pós-disparo, medido uma hora após o evento; para o RXEF050, isso é 1,17 Ω no máximo versus 0,77 Ω antes do disparo. Um circuito que era marginal na queda de tensão antes de uma falha pode ficar pior depois de uma.

2. Os cinco valores nominais que importam

Um exemplo concreto é o RXEF050: 0,50 A de corrente de manutenção, 1,00 A de corrente de disparo, 72 V no máximo, 40 A de corrente máxima de falha, 0,77 W dissipados quando disparado e 0,50–0,77 Ω de resistência inicial. Esses são os números que entram numa decisão de seleção — não apenas o destaque de 0,50 A.

As aprovações fazem parte da mesma página. A série RXEF possui reconhecimento UL, CSA, TÜV e CQC; confirme que a aprovação de que necessita está indicada para a referência de encomenda exata, e não apenas para a família.

A desclassificação por temperatura ambiente é a regra de seleção

A corrente de retenção do PPTC diminui à medida que a temperatura ambiente aumenta, porque o dispositivo necessita de menos autoaquecimento para atingir a sua temperatura de comutação. Os fabricantes publicam uma tabela ou curva de reclassificação, e é a página mais importante da ficha de dados.

Para o RXEF050, a tabela indica 0.78 A a −40 °C, 0.68 A a −20 °C, 0.60 A a 0 °C, 0.50 A a 20 °C, 0.48 A a 25 °C, 0.41 A a 40 °C,0.36 A a 50 °C, 0.32 A a 60 °C, 0.27 A a 70 °C e0.20 A a 85 °C. A 50 °C, o componente fornece 75% do seu valor nominal a 25 °C; a 85 °C, 42%.

A regra prática é considerar a temperatura ambiente máxima no interior da caixa — não a temperatura da sala — acrescentar a subida de 20–30 °C que um invólucro selado pode adicionar e ler a corrente de manutenção nesse ponto. Depois, exigir pelo menos 1.2 × a corrente de carga. Uma carga de 0.30 A a 50 °C necessita de 0.36 A de corrente de manutenção; o RXEF050 fica exatamente no limite, sem qualquer margem, razão pela qual o tamanho imediatamente superior é normalmente a resposta certa.

4. Tempo de disparo: quão rápido é “rápido”?

O tempo de disparo é especificado para uma corrente específica e aumenta acentuadamente à medida que a corrente se aproxima de I_DISPARO. A folha de dados do RXEF050 indica um tempo máximo até ao disparo de4.0 s a 2.50 A. A 1.2 A, o componente pode demorar muito mais; a 1.0 A, pode nunca disparar num tempo útil, porque esse é o limiar de disparo e não um ponto de corte garantido.

Este é o segundo erro de seleção mais comum: tratar I_DISPAROcomo um limiar de atuação rápida. Um PPTC não é um fusível. Se o circuito protegido não conseguir suportar vários segundos a, por exemplo, 1.5 × I_DISPARO, o PPTC é o dispositivo errado — um eFuse ou um fusível rápido é a escolha correta.

5. Exemplo prático: uma porta de 5 V e 0.30 A a 50 °C

Considere uma porta auxiliar de 5 V que consome 0.30 A continuamente, no interior de um invólucro que atinge 50 °C. O objetivo é um dispositivo de reposição automática que não dispare em funcionamento normal e que limite um curto-circuito.

• Corrente de retenção:0.30 A × 1.2 = 0.36 A a 50 °C. O RXEF050 é exatamente 0.36 A, pelo que a margem é zero. O RXEF065 (0.53 A a 50 °C) proporciona 77% de margem e é a melhor opção.
• Tensão nominal:72 V para a série, confortavelmente acima de um barramento de 5 V.
• Queda de tensão:a 0.30 A e 0.77 Ω no máximo, a queda é de 0.23 V, ou 4.6% de um barramento de 5 V. Aceitável aqui; num barramento de 3.3 V, o mesmo componente representaria 7% e deveria ser reconsiderado.
• Dissipação:0.30² × 0.77 = 0.07 W em funcionamento normal — é pequena, mas contribui para o calor do invólucro que provocou a redução de potência em primeiro lugar.
• Comportamento em falha:a 1 A, o RXEF050 é cerca de I_DISPAROe pode demorar muito tempo; a 2.5 A o máximo especificado é 4.0 s. O circuito a jusante tem de tolerar isso.

Esse último ponto é a decisão de projeto, não a referência. Um PPTC protege a cablagem e os conetores contra sobrecorrente sustentada; não protege um dispositivo sensível contra uma falha rápida. Se a carga for um conetor hot-plug com um capacitor grande, a própria corrente de irrupção pode disparar um PPTC corretamente dimensionado para regime permanente — outra razão para verificar o perfil de arranque da carga, e não apenas a sua corrente média.

6. PPTC vs fusível vs eFuse vs TVS

Estes quatro componentes são frequentemente apresentados como alternativas, mas respondem a perguntas diferentes.

Um fusívelé mais rápido e mais barato por unidade, mas é de uso único e tem de ser substituído.UmeFuseproporciona limites de corrente precisos, resposta rápida e, frequentemente, monitorização de tensão/térmica, com custo e complexidade mais elevados.A TVSLimita a tensão, não a corrente, e é o dispositivo certo para ESD e sobretensão — uma classe de falha diferente. O PPTC situa-se no extremo de baixo custo e de rearme automático: adequado para portas, adaptadores e conjuntos de baterias, não para limitação precisa de corrente.

7. Escolha do encapsulamento: radial, SMD ou cinta

A mesma física de polímeros está disponível em três famílias mecânicas, e o encapsulamento determina onde o componente pode ser utilizado.

A seleção elétrica não muda com o encapsulamento, mas o ambiente térmico muda. Um componente SMD montado numa placa densa com um regulador próximo aquecerá mais do que o mesmo valor nominal num encapsulamento radial com ar livre à sua volta, e a tabela de derating assume ar parado à temperatura indicada. Trate a placa como parte do sistema térmico.

8. Duas aplicações em que os detalhes importam

Uma porta de carregamento USB.Uma porta de 5 V, 0.5 A é frequentemente protegida com um PPTC da classe 0.50 A. A 25 °C parece bem, mas dentro de uma caixa de plástico a 45–50 °C a corrente de retenção com derating já está abaixo de 0.40 A, e um tablet que consome 0.5 A fará disparar o componente após alguns minutos. Ou suba um tamanho ou melhore a circulação de ar à volta do conector.

Um pack de baterias.Os dispositivos do tipo strap são escolhidos pela baixa resistência, mas o interior de um pack é um dos locais mais quentes de um produto. Um componente com valor nominal de 2 A a 25 °C pode suportar apenas 1.4 A a 60 °C. O teste térmico do pack, e não o destaque da folha de dados, é o número que importa.

9. Quando não utilizar um PPTC

• Temperatura ambiente acima da gama nominal.Acima dos 85 °C, a maioria dos componentes reduz para uma fração da sua classificação ou simplesmente não é especificada.
• Cargas com elevada corrente de arranque.Motores, lâmpadas incandescentes e condensadores de entrada de grande capacidade podem disparar um PPTC corretamente dimensionado para o regime permanente.
• Circuitos críticos de segurança.Um dispositivo de rearme automático que se reconecta automaticamente não substitui um fusível ou um disjuntor quando a falha tem de permanecer isolada.
• Falhas na rede elétrica e de alta energia.Utilize um fusível ou um disjuntor adequado, dimensionado para a corrente de falha disponível.
• Limites de corrente precisos.Se o limite tiver de estar dentro de ±10%, utilize um eFuse ou um circuito de deteção de corrente.
• Barramentos de alimentação muito baixos.A queda de tensão no componente (e a sua resistência pós-disparo) pode representar uma grande fração de um barramento de 1.8 V ou 3.3 V.

10. Layout e acoplamento térmico

Como o disparo é térmico, o layout da placa altera o ponto de disparo. Mantenha o PPTC afastado de componentes quentes — reguladores, indutores de potência, díodos — e forneça-lhe cobre e fluxo de ar sempre que possível. Um componente colocado junto a um regulador de 2 W disparará mais cedo do que a curva da folha de dados sugere.

Não coloque PPTCs em paralelo para repartir corrente: os dois componentes não repartirão de forma uniforme, e o primeiro a aquecer terá mais resistência e empurrará a corrente para o outro. A folha de dados e as notas de aplicação são explícitas quanto a isto. Se for necessária mais corrente de retenção, utilize um único dispositivo maior.

Mantenha o caminho de falha curto e largo. O PPTC só limita a corrente depois de aquecer; qualquer resistência ou indutância em série entre a fonte e o dispositivo atrasa a corrente de falha e altera o tempo de disparo.

11. Cinco erros que vemos

1. Selecionar a 25 °C.A corrente de retenção em destaque na folha de dados é um valor à temperatura ambiente; o invólucro não está a 25 °C.

2. Confundir I_HOLDcom I_DISPARO.Um componente que suporta 0.50 A não dispara a 0.50 A; o limiar de disparo é 1.00 A no RXEF050.

3. Esperar uma velocidade semelhante à de um fusível.Segundos são normais para um PPTC; se o circuito necessita de milissegundos, é o dispositivo errado.

4. Ignorar a corrente de arranque.Um motor ou um condensador de grande capacidade pode disparar o componente no arranque, mesmo quando a corrente em regime permanente está bem dentro do valor nominal de retenção.

5. Esquecer a resistência após o disparo.Após uma falha, o componente pode ficar em 1.17 Ω em vez de 0.77 Ω, o que altera a queda de tensão e o aquecimento durante o resto da sua vida útil.

12. Lista de verificação para seleção

• Corrente de carga máxima, incluindo tolerância e transitórios.
• Temperatura ambiente máxima no interior do invólucro, com a elevação de temperatura do invólucro adicionada.
• Corrente de manutenção com derating a essa temperatura ambiente; exigir ≥ 1.2 × carga.
• Corrente de disparo e tempo de disparo para a corrente de falha que prevê.
• Tensão máxima e corrente de falha máxima.
• Resistência inicial e após disparo; queda de tensão no barramento.
• Perfil de corrente de arranque da carga.
• Posicionamento térmico: distância a componentes quentes, área de cobre, fluxo de ar.
• Se a falha deve permanecer isolada (fusível/disjuntor em alternativa).
• Verificação: ensaio de disparo no ambiente real, não em bancada.

FAQ

Posso substituir um fusível por um PPTC?

Apenas se a falha for uma sobrecorrente sustentada que o circuito consiga tolerar durante segundos e se a reconexão automática for aceitável. Para isolamento crítico de segurança ou falhas rápidas, mantenha o fusível ou utilize um eFuse.

Porque é que o meu PPTC dispara a uma corrente inferior à indicada na folha de dados?

Porque a corrente de manutenção indicada na folha de dados é especificada a uma temperatura de referência, normalmente 20–25 °C, em ar calmo. Um componente dentro de um invólucro quente ou junto a um componente quente fica sujeito a uma temperatura ambiente efetiva mais elevada e dispara mais cedo.

Qual é a diferença entre a corrente de manutenção e a corrente de disparo?

A corrente de manutenção é a máxima que o componente deixa passar sem disparar; a corrente de disparo é a mínima que o comuta para o estado de elevada resistência. Entre as duas, o comportamento depende do tempo, da temperatura ambiente e da dissipação térmica.

Quanto tempo demora um PPTC a rearmar?

Rearma quando arrefece abaixo da temperatura de comutação — de segundos a minutos, dependendo do componente, da corrente e do fluxo de ar. Não é instantâneo.

Posso colocar dois PPTCs em paralelo para obter mais corrente?

Não. Não vão partilhar a corrente de forma uniforme, e o primeiro a aquecer empurra mais corrente para o outro. Utilize um único dispositivo maior.

Como valido um PPTC no invólucro real?

Coloque o produto em funcionamento à carga máxima no invólucro final até as temperaturas estabilizarem e, em seguida, meça a corrente que passa pelo componente e a temperatura junto ao mesmo. Se o componente já estiver quente em regime estacionário, reduza novamente — a curva da folha de dados assume ar parado, não uma caixa fechada junto a um regulador.

A corrente de disparo também sofre derating?

Sim. As folhas de dados costumam publicar a tabela de derating da corrente de manutenção; a corrente de disparo e o tempo de disparo também variam com a temperatura. Não assuma que a corrente de disparo a 23 °C se aplica a 60 °C — leia a curva ou peça ao fornecedor os dados de disparo a quente.

Um PPTC protege contra sobretensão?

Não. Responde à corrente e à temperatura. A proteção contra sobretensão é um TVS ou um clamp; os dois são complementares, não intercambiáveis.

Glossário

I_HOLD

Corrente máxima que o dispositivo deixa passar sem disparar à temperatura de referência.

I_DISPARO

Corrente mínima que comuta o dispositivo para o seu estado de alta resistência.

V_MAX

Tensão contínua máxima que o dispositivo suporta à corrente nominal.

I_MAX

Corrente de defeito máxima que o dispositivo pode interromper.

P_D

Potência dissipada pelo dispositivo no estado de disparo.

Resistência após disparo

Resistência medida uma hora após um disparo; superior ao valor inicial.

Fontes

• Folha de dados da série RXEF da Littelfuse— valores nominais do RXEF050 e tabela de reclassificação por temperatura.
• Eaton, diretrizes de aplicação de fusíveis rearmáveis PTC (Nota Técnica 11055)— definições de corrente de manutenção/disparo, redução de carga, aviso sobre dispositivos em paralelo, exemplo de PLC a 12 V.
• Família de produtos Littelfuse PolySwitch— séries de dispositivos e aplicações.