Предохранители: стеклянные и самовосстанавливающиеся

Поливалка на балконе жила от батарейного отсека с четырьмя АА, и в одну из пятниц я решал переставить её на подоконник. Потянул за жгут проводов — перемычка в красной рейке выскочила из лепестка и легла поперёк на соседний ряд. Когда я вернулся, провод у отсека был тёплый, а макетка пахла нагретым пластиком. На Uno в этой роли меня выручил бы полифьюз у USB-разъёма — слои защиты на самой плате я разбирал в уроке про короткое замыкание. Но поливалка питалась от отсека, и вся эта лестница осталась в стороне: батарейки не умеют думать, они отдают, сколько могут.

Лечение стоит копейки и ставится за десять минут: предохранитель в разрыв плюсовой рейки. Выбор источников и бюджет я считал в уроке про внешнее питание — здесь недостающее звено: что встать между источником и рейкой, если у источника своей защиты нет. Породы две: стеклянные трубки с тонкой металлической нитью и самовосстанавливающиеся PPTC — те жёлтые блики, которые вы видели на платах.

Разберём физику обеих пород, научимся читать пару чисел hold и trip из даташита, выберем место в макетке и номинал под бюджет проекта. Отдельно про честные ограничения: PPTC не мгновенен, греется сам и восстанавливается не сразу — и я объясню, почему всё равно держу его в каждой полевой макетке.

Внутри PPTC — кристалл из полиэтилена, густо замешанного с углеродом. При комнатной температуре частицы углерода касаются друг друга и образуют проводящие дорожки: сопротивление детали — доли ома, мультиметр его даже не заметит. Полимер греется — от проходящего тока или от окружения — и расширяется, цепочки из частиц рвутся, и сопротивление взлетает на три-четыре порядка, до десятков килоом. Ток проваливается до миллиампер, деталь остывает, полимер сжимается, дорожки срастаются — предохранитель снова проводит. Разрыва цепи нет: есть рост сопротивления, и это принципиальное отличие от всего, что вы держали в руках раньше.

В даташите ищите два числа. Hold current — ток, который деталь держит бесконечно и не срабатывает; он обязан быть выше рабочего тока проекта. Trip current — ток, при котором отключение гарантировано; между ними серая зона, где всё решают время и температура. Пара, которую я вынес из даташитов и форумов: типичный «пятисотый» полифьюз держит 500 мА и гарантированно отключается при 1 А — ровно к этой паре сводит обсуждение на форуме Adafruit, а реальное срабатывание у разных экземпляров замечали около 750 мА. Серия RXEF идёт парами 200/400 мА — отношение trip к hold держится около двух. Рабочее правило отсюда: проект живёт ниже hold, пики не вылезают за trip — тогда PPTC молчит годами.

Скорость зависит от превышения. При восьмикратном превышении hold PPTC закрывается за доли секунды; при двукратном греется секунд десять и дольше — тепло копится по закону мощности из урока про закон Ома: вдвое больший ток даёт вчетверо больше тепла. Для серво, вздрагивающей на полсекунды, это мягкость — защита пик не заметит. Для упорного замыкания — уверенное отключение. Возлагать на PPTC надежду «успеет за микросекунду» не стоит: он спасает от пожара и съеденных батарей, а не от щелчка пальцем.

Стеклянная трубка читается глазами, и этому стоит научиться. Цифры на колбе — амперы; размер 5×20 мм — самый ходовой, под него продаются колпачковые держатели на провод. Буква перед числом — характер: F (fast) рвёт нить быстро, уже при двукратном превышении за секунды; T (time-lag, она же медленная) терпит пусковые пики заметно дольше. Быстрый ставят перед чувствительной электроникой, медленный — перед моторами и серво, у которых старт съедает больше, чем работа. В держателе трубка меняется за десять секунд, и это её главный плюс — и одновременно её главный минус в макетной жизни: менять придётся часто.

Где PPTC бессилен — и об этом честно. Он лечит только одну болезнь: лишний ток. Переполюсовку питания он не заметит, превышение напряжения пропустит мимо, а от перегрева источника не защитит ничуть. Против переполюсовки работает диод, против лишнего напряжения — стабилитрон и нормальный источник; предохранитель закрывает ровно один фронт, и пытаться назначить его спасателем всего сразу — путь к самоуспокоению.

Поэтому в макетку я ставлю PPTC и не сомневаюсь. Макетка — среда постоянных переделок: провод переподключается, деталь переносится, порядок сборки нарушается на середине. Каждая переделка — шанс перемычки легнуть поперёк, и стеклянная трубка превратила бы эти шансы в поток замен. Самовосстанавливающаяся деталь закрывает глаз на неудачную попытку и жёстко останавливает вторую — ровно тот режим, в котором макетка и живёт.

Место — в разрыв плюсовой рейки, у самого входа питания: источник, выключатель, предохранитель, и только потом красная рейка. Именно до рейки — тогда защищено всё, что на ней висит, включая узлы, о которых вы забудете через месяц. В минусовой ветке предохранитель не ставлю принципиально: минус — общая земля, относительно неё меряют уровни датчики и входы АЦП. При срабатывании в минусовом проводе схема не обесточивается, а оказывается подвешенной на чужих потенциалах и начинает врать раньше, чем отключится. Земля должна быть целой и общей — правило из урока про шины питания.

На Uno полифьюз уже стоит, но его юрисдикция — дорога от USB-порта. Батарейный отсек, сетевой адаптер и вход Vin идут мимо, а часть клонов полифьюза лишена вовсе: жёлтая деталь у разъёма или пустое место под неё — проверьте свою плату взглядом. Мой стандарт полевой макетки — PPTC с hold 0,5 А между отсеком и рейкой. Дешёвая страховка от события «перемычка легла поперёк», которое случается со всеми.

Методика выбора — от бюджета, а не от страха. Сложите токи потребителей методом из урока про бюджет тока, прибавьте самый жирный пик и берите hold на четверть выше рабочего. Рабочий ток 300 мА — PPTC на 0,5 А hold. Сервопривод со своими 650 мА в затыке (внешнее питание серво) — уже 1 А hold, иначе защита сработает на каждый поворот и будет выглядеть поломкой. Учтите и собственное сопротивление детали: 0,05-0,3 ома в норме — на ампере это просадка до трёх десятых вольта прямо на предохранителе, что для точных аналоговых замеров небезразлично.

Когда брать стеклянный? Когда устройство разовое, скорость отдачи важнее удобства, а поход к ящику с запчастями не проблема. Я держу стеклянные в держателях на проводах силовых самоделок, PPTC — на макетках, где руки чешут провода каждые пять минут: самовосстановление там окупает всё. Одно предубеждение готов признать субъективным: перегоревшая нить видна глазами, а остывающий PPTC снаружи неотличим от сгоревшей схемы — новичок по три раза перетыкает цепь, которая просто ждёт минуты тишины.