従来型のヒューズとリセット可能なヒューズの違い

ヒューズでないヒューズとはいつのことですか？

今日の消費者向け電子製品における電子インターフェースは、高性能を提供し、かつこれまで以上に高い電流を供給することができます。しかし、その高電流は、交換するのが困難または不可能なヒューズの破損につながる可能性があります。ヒューズや回路全体を交換する必要を回避するため、リセット可能なPTCヒューズが使用されることがあります。PTCヒューズは自動的にリセットされ、交換することなく回路を保護し続けることが可能です。その結果、ダウンタイムを削減し、アプリケーションの寿命を延ばすことができます。

従来型のヒューズとは何ですか？

従来型のヒューズは、電気回路に直列に配置された、既知の電流容量を持つワイヤまたはその他の導電性リンクで構成されています。ヒューズは安全装置としてのみ機能し、溶融して電流の流れを永久に遮断するよう設計されています。ヒューズが作動することで、過負荷や短絡電流によって回路が損傷するのを防ぎ、故障状態が発生した場合でも過熱や火災を防止する役割を果たします。

保護される回路によって、ヒューズの定格は家庭用電子製品の数ミリアンペアから、産業用途の数百アンペアまでさまざまです。特定の用途に適したヒューズを指定するには、電流定格だけでは不十分です。ヒューズはさらに、電圧、交流(AC)および直流(DC)に対して定格があります。電圧定格は最大値であり、それを超えることはできません。ヒューズが作動すると、ヒューズを超えてアークが発生する可能性はありません。負荷が抵抗性かリアクティブ性かによって、ヒューズは電流過負荷が発生した際に「高速」に切れるよう設計されたもの、または定義された短時間の過負荷を許容した後に切れる「時間遅延」または「低速」ヒューズと呼ばれるものが利用可能です。

回路パラメータはヒューズ選定にどのように影響を与えるのか？

ヒューズは回路のパラメータに応じて選択する必要があります。特定の半導体回路では、重大または高価な部品の損傷を避けるために、非常に迅速に作動するヒューズが必要です。一方で、電源のような高インダクタンスまたは高容量の回路では、「電源を入れる」際に短時間だけ回路電流がヒューズの定格を大きく上回る突入電流が発生することがあります。このような回路では、「遅延型」または「スローブロー」タイプのヒューズが必要であり、その短時間で正常である突入電流に耐え、いわゆる「不要な遮断」を防ぐことができます。このことは、モーターやトランスの突入電流にも当てはまります。

すべてのヒューズに共通している点の1つは、それが「使い捨て」のデバイスであるということです。従来型のヒューズが作動して回路を遮断した場合、根本的な故障を修理した後に完全に同じヒューズを取り付けることが、保護された回路を再稼働させる唯一の方法です。しかし、電子システムが縮小し進化し続けるにつれて、ヒューズの一度きりの性質がますます圧力を受けるようになっています。

ヒューズが飛んだ場合、交換する必要がありますか？

小型化とマイクロ回路の発展が進む以前、機器のヒューズはホルダーやクリップによって機械的に保持されていました。修理はまず、どのヒューズが切れたかを判断し、切れたヒューズの位置を特定・アクセスして、根本的な問題を診断し、適切な定格および動作特性を持つ交換用ヒューズを見つけるという手順で行われました。現在では、ほとんどの電子機器や小型家電製品は高密度な設計がされており、従来型のチューブ形ヒューズを収容できないため、SMTタイプのヒューズが使用され、それらは基板に直接はんだ付けされています。その結果、ユーザーが修理できる仕様ではなくなっています。単にヒューズを交換するという作業は、現在では回路基板を交換するか、製品・家電をメーカーに戻して修理を依頼するという形に変わりました。ほとんどの消費者向け電子製品は内部にアクセス可能な交換用ヒューズを設置する設計がされておらず、製品デザイナーは内部へのアクセスを阻止するために意図的に工夫を凝らしています。その例として、「内部にユーザーが交換可能な部品はありません（No User Serviceable Parts Inside）」と警告するラベルが貼られることがあります。

今日の消費者向け電子製品間の電子インターフェースは、より高い性能を提供し、最新のUSBインターフェースのようにこれまで以上に高い電流を供給できるようになっています。一方、インターフェースケーブルやコネクタはますます小型化され、ユーザーが注意を払わずに差し込んで使用することで簡単に損傷を受ける可能性があります。さらに、誤動作や互換性のない周辺機器がホスト製品に接続され、それを損傷させるリスクも懸念されています。どのメーカーも、特に保証対象となる製品の返品を望みません。そのため、フューズのような保護部品が理想的には依然として必要ですが、従来型のフューズではないかもしれません。現在の状況を考慮すると、障害が取り除かれると自動でリセットされる保護用の「フューズ」があれば便利だと思いませんか？BelのPTCデバイスはまさにそれを実現します！

PTCヒューズとは何ですか？

Bel PTCヒューズは、正の温度係数（PTC）サーミスタの動作に似ています。つまり、温度に依存する抵抗であり、温度が上昇すると抵抗が増加するという特性を持っています。ただし、Bel PTCの自己リセット型プロテクターは、単にパッシブな測定要素であるサーミスタとは異なり、回路電流を流す設計となっており、その活性コア（炭素粒子を含むポリマー）の抵抗によって自己発熱する仕組みになっています。PTCヒューズは、過電流、短絡、または過温度状態に反応してその抵抗を急速に増加させ、電流の流れを制限します。このPTCヒューズは、ヒューズの作動イベントによって永久的に破壊されることはなく、回路への電力が遮断され、故障が修復され、電力が再投入されるとリセットされます。このリセット機能により、電子製品がPTCによって保護され、従来のヒューズのように交換作業を必要としなくなります。

建設において、Bel PTCは、導電性フィラーを含むポリマー材料のブロックが2つの導電プレートの間に結合された構造で構成されています。電流は、ランダムかつ隣接する炭素粒子の物理的接触によって形成される数千のランダムな炭素チェーン経路を通じて、それらの間を通過します。PTCヒューズを通る電流がそのIHOLD定格を下回り、その温度が100°C未満である間は、デバイス内の導電経路がR1 MAX定格を下回る低抵抗で電流を伝導します。周囲温度の上昇や電流がITRIP定格を超えることによりPTCヒューズの温度が130°C付近に達すると、充填されたポリマーブロックが体積膨張を起こし、大部分の導電経路を分断します。その結果、PTCヒューズの抵抗は数桁のオーダーで急激に増加します。

PTCヒューズをリセットする方法は？

トリップ状態では、新しい非常に高い抵抗によって電流の流れが制限されますが、PTCヒューズをトリップ状態に維持するのに十分な漏れ電流がPTCヒューズを通して流れ、内部での自己発熱が続きます。電力が完全に切断されると、PTCのコアが冷却および収縮し、導電性チェーンが再形成されてデバイスが低抵抗状態に戻ります。

トリップイベントを開始するために必要な温度上昇は、内部加熱（つまり過電流）や隣接する外部の熱源（例えば過熱したモーターハウジング）から発生する可能性があることに留意してください。PTCはどちらの条件にも同様に対応するため、汎用性の高い保護装置であると同時に、自動リセットの機能も提供します。

Bel PTCのデータシートでは、23°Cの静止空気中でトリップ状態のPTCを維持するために必要な一般的な電力（Pd）が指定されています。電力（P）は電流（I）と電圧（V）の積であり、オームの法則によれば電圧（V）は電流（I）と抵抗（R）の積であるため、P = V^2/Rとなります。したがって、トリップ状態のPTCのおおよその抵抗値は、R = V^2/Pd（Pdはトリップ時の消費電力）となります。PTCは内部温度を一定に保つよう動作するため、適用される電圧によってトリップ状態での見かけ上の抵抗値が変化します。

例 1: 60V電源に1WのPTC。R_tripped = 60^2/1 = 3600オーム。

例 2: 12V 電源での同じ 1W PTC。R_tripped = 12^2/1 = 144 オーム。

典型的な電力に関して提示されている数値はあくまで「典型的」なものであり、冷却などの熱損失に影響を与える物理的要因によって、PTCが内部温度を維持するために必要な電力消費量が変化します。簡単に言えば、PTCは一定の数値化可能なトリップ抵抗を示さないということです。

伝統的なヒューズとPTCヒューズの重要な違いとして、故障時に負荷回路が完全に隔離されない点、そしてその回路内に高抵抗の漏れ経路が依然として存在する点に留意する必要があります。PTCの典型的な適用例として、安全回路における過電流保護を提供する制限装置があります。これはULのUL1434およびTUVのEN 60738-1-1に準拠したものです。各デバイスの安全認証については、デバイスのデータシートを参照してください。

USBインターフェース以外にも、PTC保護によって恩恵を受けるアプリケーションには以下が含まれます:

リセット可能なPTCヒューズ

Belのリセット可能PTCは、-40°Cから+85°Cの範囲で使用するよう設計されており、従来型のラジアルリード付きパッケージや、0603から2920サイズの表面実装（SMD）チップパッケージで提供されています。

0603 SMDデバイスの0ZCMシリーズは、非常に小型で高密度プリント基板 (PCB) アプリケーションに適したサイズを提供します。これらのデバイスの典型的な消費電力 (Pd) は0.5 Wです。動作 (保持) 電流が50 mAから200 mA、対応する動作遮断電流（トリップ電流）が150 mAから450 mAの範囲で指定されている個別デバイスが利用可能です。選択されたデバイスと動作条件によっては、このシリーズは500 mAから2 Aの電流範囲で0.1秒未満の高速トリップ時間 (0.1秒最大) と、9 Vから15 Vの範囲で最大動作電圧を提供します。

比較すると、2920 SMD素子の大きな0ZCFシリーズは、より高出力のPCB用途に適しています。これらのデバイスの典型的な電力損失Pdは1.5 Wです。動作（保持）電流が300 mAから3 A、対応する作動電流が600 mAから5.2 Aまでの個々のデバイスが提供されています。実際に選択されたデバイスや動作条件に応じて、このシリーズは6 Vから60 Vの最大動作電圧を提供します。ラジアルリード型PTCは、5.1 mmおよび10.2 mmのリード間隔のいくつかのシリーズで提供されており、より高い動作電圧と電流をサポートすることが可能です。これらのデバイスは、ライン電圧の電源、トランス、電化製品用途に適しています。

0ZRMシリーズは、最大動作電圧が120 VAC/VDC、最大135 VAC/VDCに対応しています。指定された動作（保持）電流が100 mAから3.75 Aまで、対応するトリップ電流が200 mAから7.5 Aまでの個別デバイスが利用可能です。

0ZREシリーズは、最大動作電圧240 VAC/VDCおよび最大電圧265 VAC/VDCをサポートします。動作 (保持) 電流が50 mAから2 Aまで、またそれに対応する遮断電流がそれぞれ120 mAから4 Aまでの個別デバイスが利用可能です。

0ZRAシリーズは、最大14Aの非常に高い動作（保持）電流および最大23.8Aの対応するトリップ電流をサポートします。

PTCヒューズの制限

ポリマPTCデバイスは、あくまで偶発的な過電流や過温度の故障条件から保護することを目的として設計されており、繰り返しまたは長時間の故障条件が予測されるアプリケーションには適さない場合があります。

PTCデバイスは、大きなインダクタンスを持つ回路では適切でない場合があります。これは、PTCがトリップした際にPTCの定格電圧を超える大きな電圧スパイクを発生させる可能性があるためです。