Wykorzystanie bezpieczników SMD: prostszy układ, mniejsze rozmiary produktu, poprawa wytrzymałości

Aktywowany termicznie bezpiecznik topikowy jest najstarszym urządzeniem chroniącym obwód i nadal jest powszechnie stosowany. Jego działanie jest proste, niezawodne i definitywne, ponadto jest on zatwierdzony w normach regulacyjnych. Jednak wraz z rosnącą złożonością produktów końcowych i zmniejszaniem się ich rozmiarów, projektanci potrzebują alternatywy dla wymienianego przez użytkownika bezpiecznika topikowego i jego oprawy, aby zmniejszyć rozmiary, uprościć montaż, poprawić wytrzymałość i jeszcze bardziej zwiększyć bezpieczeństwo.

W ich zastępstwie projektanci mogą stosować urządzenia do montażu powierzchniowego (SMD) bez pogarszania parametrów działania. W bezpiecznikach SMD stosowane są różne technologie w celu zapewnienia stapiania termicznego wraz z pełnym zakresem niezbędnych cech bezpiecznika topikowego, takich jak działanie szybkie i zwłoczne.

Niniejszy artykuł zawiera informacje wprowadzające na temat bezpieczników, ochrony obwodów i zagadnień projektowych. Następnie przedstawia i opisuje bezpieczniki SMD firmy Bourns, ich podstawową charakterystykę oraz sposób ich stosowania.

Zwykły bezpiecznik topikowy ma się dobrze

Tradycyjny bezpiecznik topikowy z aktywowanym termicznie łącznikiem topliwym ma około 150 lat, będąc najlepiej znanym i najbardziej bezpośrednim typem urządzenia chroniącego obwód. Jego działanie jest proste, niezawodne i definitywne - w ten sposób zapewnia on ochronę przed przetężeniami. Realizuje to przez jednoznaczne i nieodwracalne otwarcie obwodu oraz przerwanie przepływu prądu, gdy natężenie prądu przekroczy wartość określoną przez konstrukcję bezpiecznika.

Tradycyjny bezpiecznik topikowy jest przedstawiany za pomocą różnych symboli schematycznych w zależności od standardu graficznego i składa się z przewodu metalowego, który jest precyzyjnie zaprojektowany pod względem konstrukcji, wymiarów i materiałów (ilustracja 1). Gdy prąd przepływający przez wspomniany łącznik topliwy przekracza ustaloną wartość graniczną przez wystarczająco długi czas, łącznik topi się w wyniku samoistnego nagrzewania. Samoistne nagrzewanie jest bezpośrednią konsekwencją rezystancyjnych strat mocy I²R w następstwie przepływu prądu przez rezystancję łącznika.

Ilustracja 1: zależnie od stosowanego standardu, bezpiecznik topikowy jest przedstawiany za pomocą jednego z kilku symboli schematycznych. (Źródło ilustracji: ClipArtKey.com)

Bezpieczniki topikowe są dostępne w wielu typach obudów, takich jak dobrze znany mały kartridż szklany w stylu 3AG o średnicy ¼ cala i długości 1¼ cala. Dla każdego bezpiecznika topikowego i wartości znamionowej prądu dostawcy przedstawiają szczegółowe wykresy pokazujące zależność pomiędzy wartością przetężenia i skumulowanym czasem potrzebnym do stopienia się elementu topliwego, a tym samym zatrzymania przepływu prądu przez bezpiecznik. Ta zależność jest nazywana wartością znamionową I²t, wskazującą dostępną energię cieplną wynikającą z przepływu prądu i jest wyrażana w jednostce A²s.

Bezpiecznik nie jest jedynym urządzeniem ochrony obwodów, z którego korzystają projektanci. Istnieją inne urządzenia pasywne, które zapewniają różne formy ochrony przed nadmiernymi udarami prądu lub napięcia przez ograniczanie, blokowanie, bocznikowanie lub zastosowanie obwodu zwarciowego (tzw. „crowbarring”). Żadne z nich nie zapewnia jednak wyraźnego i nieodwracalnego odcięcia prądu, jak to robi bezpiecznik. Nie zastępują one funkcji bezpiecznika, ale mogą być stosowane w przypadku, gdy bezpiecznik nie jest odpowiednią opcją ochrony, a także jako uzupełnienie działania bezpiecznika, gdy jest to technicznie uzasadnione. Do innych znanych urządzeń zabezpieczających obwody należą:

• warystor tlenkowy (MOV)
• termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC)
• dioda ograniczająca przepięcia (TVS)
• iskiernik gazowy (GDT)
• polimerowy bezpiecznik resetowalny PTC

Podobnie jak w przypadku bezpieczników topikowych, każde z nich ma do odegrania rolę w ochronie obwodów, jednak zwykły łącznik topliwy przerywający obwód zachowuje swoją rolę i funkcję w wielu projektach ze względu na połączenie cech, takich jak definitywność i nieodwracalność bezpośredniego działania.

Coś więcej niż wymienny łącznik topliwy

Często zakłada się, że bezpieczniki termiczne mogą być wymieniane przez użytkownika, jeśli występują w połączeniu z odpowiednią oprawą bezpiecznikową lub gniazdem. Niemniej jednak umożliwienie użytkownikom wymiany jest często niepotrzebne, a dla wielu produktów może być niepożądane. Dotyczy to produktów o niższej mocy, takich jak telefony komórkowe, przystawki do telewizorów, małe ładowarki, zasilacze ścienne prądu zmiennego-stałego i zabawki, a także urządzeń średniej mocy, w tym narzędzi elektrycznych, kontrolerów przemysłowych i generatorów do prywatnego użytku; a nawet systemów wyższej mocy, takich jak ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV). Rozważmy następujące scenariusze:

• Bezpieczniki topikowe o różnych wartościach znamionowych mogą być potrzebne do ochrony różnych podukładów większego obwodu, w tym także tych z wrażliwymi ścieżkami sygnałowymi, a nie całego produktu.
• Urządzenie chronione przez bezpiecznik może być niewielkim, zamkniętym produktem, takim jak smartfon, w którym bezpiecznik jest potrzebny przede wszystkim do ochrony baterii i jej obwodów ładowania, a użytkownik nie ma możliwości dostępu do wnętrza.
• Z punktu widzenia bezpieczeństwa, jeżeli nie jest znana faktyczna przyczyna przepalenia bezpiecznika, np. mechanik nieumyślnie dotknął szyny zasilającej i połączył ją z podwoziem samochodu, wymiana bezpiecznika tylko dlatego, że można to łatwo zrobić, jest w najlepszym wypadku stratą czasu, a w najgorszym ‑ jest ryzykowna. Na przykład, jeśli bezpiecznik jest częścią obwodu chroniącego akumulator litowy i jego obwód ładowania, jest on krytycznym elementem tej funkcji. Dlatego ważne jest, aby znaleźć główną przyczynę przepalenia bezpiecznika, zamiast bezmyślnie go wymieniać.
• Oprawa bezpiecznikowa i jej styki zwiększają obawy o niezawodność z powodu korozji, wibracji i innych czynników środowiska pracy.
• I wreszcie jest też kwestia wielkości: bezpiecznik topikowy, który jest wlutowany bez oprawy, będzie zajmował mniejszą powierzchnię i miał niższy profil na płytce drukowanej.

Aby zastosować niewielkie, bezoprawowe bezpieczniki w postaci elementów SMD, a tym samym wykorzystywać standardowe urządzenia do umieszczania i wlutowywania komponentów do płytek drukowanych, należy wyjść poza koncepcję tradycyjnego bezpiecznika z drucianym łącznikiem topliwym, zachowując jednocześnie zasadę samoistnego nagrzewania, która prowadzi do stopienia i otwarcia drogi przepływu prądu.

Szeroki zakres bezpieczników topikowych SMD spełnia współczesne wymagania konstrukcyjne

Wykorzystując połączenia materiałów, technologii, rozwiązań i technik wytwarzania, firma Bourns opracowała grupę bezpieczników topikowych SMD, które mogą zapewnić działanie bezpieczników w oparciu o stapianie termiczne w szerokim zakresie prądów i napięć roboczych. Seria bezpieczników topikowych SMD SinglFuse firmy Bourns wykorzystuje siedem różnych technologii budowy bezpieczników: napylanie cienkowarstwowe, cienkowarstwowe płytki drukowane, wielowarstwowe materiały ceramiczne, ceramiczne laminaty wnękowe, rdzeniowe przewodowe, rurki ceramiczne i kostki ceramiczne (ilustracja 2).

Ilustracja 2: grupa bezpieczników topikowych SinglFuse składająca się tylko z bezpieczników SMD, oferująca wiele kombinacji prądu i napięcia z wykorzystaniem siedmiu różnych technologii bezpieczników. (Źródło ilustracji: Bourns)

Różnorodność technologii i podejść konstrukcyjnych umożliwia oferowanie bogatego wachlarza bezpieczników topikowych SinglFuse o szerokim zakresie specyfikacji w odniesieniu do kluczowych parametrów, takich jak prąd znamionowy, napięcie znamionowe, zdolność wyłączania, I²t i temperatura pracy. Ponadto, produkty SinglFuse są zgodne z przepisami UL, TUV i VDE oraz spełniają normy UL 248 i IEC 60127, co ułatwia drogę do ogólnej certyfikacji produktu. Do zastosowań motoryzacyjnych, gdzie wymagana jest pełna specyfikacja i niezawodna praca w szerokim zakresie temperatur, co jest jednym z wielu wymagań samochodowych, a także do innych niesprzyjających środowisk pracy dostępne są bezpieczniki zgodne z normą AEC-Q200.

Niewielkie rozmiary bezpieczników topikowych SMD nie ograniczają ich możliwości

Istnieją sytuacje, w których konieczność stosowania mniejszych komponentów, szczególnie w obudowach SMD, nakłada ograniczenia na ich właściwości lub możliwości. Nie ma to miejsca w przypadku urządzeń SinglFuse, które są dostępne w obudowach o rozmiarach od prawie niewidocznego 0402 (0,040 × 0,020 cala; 1,0 × 0,5mm) w dolnych zakresach prądowych, aż do 3812 (0,150 × 0,100 cala; 3,81 × 2,54mm) dla bezpieczników o wyższych parametrach, nadal o niewielkich rozmiarach.

Na przestrzeni lat dostawcy bezpieczników topikowych opracowali specjalistyczne wersje urządzeń z łącznikiem topliwym o unikalnych właściwościach, aby spełnić potrzeby konkretnych obwodów. Uwzględniając tę sytuację, urządzenia SinglFuse są dostępne z różnymi charakterystykami reakcji, w tym:

• szybkie
• szybkie, precyzyjne: z węższą tolerancją dla kluczowych specyfikacji
• zwłoczne: do ochrony przed przemijającym prądem udarowym, który przekracza wartość znamionową prądu bezpiecznika
• o opóźnionym działaniu: wytrzymujące udar elektryczny przez krótki czas przed przepaleniem
• wysokich prądów rozruchowych: do nadmiernych prądów w czasie rozruchu

Należy pamiętać, że specyfika charakterystyk prądowo-czasowych dla tych różnych rodzajów bezpieczników topikowych jest zdefiniowana w ich kartach danych, a projektant powinien je sprawdzić, aby uzyskać najlepsze dopasowanie do danego zastosowania.

Skrajne wartości znamionowe prądu wskazują na zakres parametrów pracy

Projektanci mogą stosować bezpieczniki topikowe SMD w szerokim zakresie wartości znamionowych prądu. Na przykład, szybki precyzyjny bezpiecznik topikowy SMD SF-2410FP0062T-2 umieszczony jest w rurce ceramicznej o zajmowanej powierzchni EIA 2410 (metrycznej 6125) i ma długość około 6mm i wymiary 2,1 × 2,6mm od strony prostokątnej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: SF-2410FP0062T-2 jest szybkim i precyzyjnym bezpiecznikiem topikowym SMD firmy Bourns w obudowie prostokątnej. (Źródło ilustracji: Bourns)

Bezpiecznik ten jest przeznaczony do pracy przy napięciu 125V~/= i ma nominalną wartość znamionową 62mA oraz typową wartość znamionową I²t wynoszącą 0,0012A²s. Specyfikacja zbiorcza najwyższego poziomu określa, że bezpiecznik otwiera obwód w ciągu pięciu sekund przy 200% prądu znamionowego, jednak użytkownicy będą prawdopodobnie chcieli przeanalizować jego wykresy działania, które określają ilościowo czas przedłukowy (ilustracja 4) i wartość I²t (ilustracja 5), czyli kluczowe wskaźniki czasu reakcji bezpiecznika. Projektanci powinni zdawać sobie sprawę ze spadku napięcia IR na bezpieczniku topikowym podczas pracy w zakresie prądu znamionowego, ze względu na jego rezystancję około 6Ω. Spadek ten nie przekracza 40mV.

Ilustracja 4: karta katalogowa bezpiecznika SF-2410FP0062T-2 zawiera szczegóły dotyczące czasu przedłukowego od bardzo niskiego prądu do nominalnego maksimum, parametr ten określa charakterystykę reakcji bezpiecznika względem prądu. (Źródło ilustracji: Bourns)

Ilustracja 5: w karcie katalogowej bezpiecznika SF-2410FP0062T-2 przedstawiono również charakterystykę krytyczną I²t dla skumulowanej energii cieplnej przy różnych natężeniach prądu. (Źródło ilustracji: Bourns)

Zupełnie inny zakres i charakterystykę działania oferuje bezpiecznik zwłoczny SF-1206S700 (ilustracja 6), urządzenie o prądzie 7A, którego otwarcie następuje w ciągu pięciu sekund przy 250% maksymalnego prądu znamionowego.

Ilustracja 6: bezpiecznik zwłoczny SF-1206S700 do montażu powierzchniowego serii SF-1206S firmy Bourns jest urządzeniem o prądzie 7A, które przerywa obwód w ciągu pięciu sekund przy 250% maksymalnego prądu znamionowego (źródło ilustracji: Bourns)

Bezpiecznik SF-1206S700 wykorzystuje inną obudowę i technologię niż SF-2410FP-T i jest dostarczany w obudowie płaskiej 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1mm) o wysokości zaledwie 0,6mm dzięki konstrukcji cienkowarstwowej (ilustracja 7). Jego rezystancja wynosząca zaledwie 7mΩ zapewnia niski spadek IR wynoszący nieco poniżej 50mV przy prądzie maksymalnym.

Ilustracja 7: przekrój bezpiecznika zwłocznego SMD SF-1206S700 ukazuje zaawansowane materiały i technologie wykorzystane w produkcji urządzenia. (Źródło ilustracji: Bourns)

Karta katalogowa tego bezpiecznika zawiera wykresy podobne do bezpiecznika SF-2410FP-T 62 mA, jednak jako bezpiecznik zwłoczny potrzebuje on również „krzywej obniżenia wartości I²T względem powtarzającego się prądu rozruchowego”, która dodatkowo definiuje działanie bezpiecznika zwłocznego przy powtarzającym się pełnym włączeniu/wyłączeniu obwodu (ilustracja 8).

Ilustracja 8: bezpieczniki zwłoczne są często narażone na powtarzające się cykle wysokiego prądu rozruchowego, dlatego karta katalogowa SF-1206S700 wyjaśnia wpływ tych cykli na zachowanie się bezpiecznika. (Źródło ilustracji: Bourns)

Przydatne jest, aby projektanci mogli w praktyce ocenić różne bezpieczniki topikowe pod kątem ich typu, wartości znamionowej i rozmiarów, ale jest to nie lada wyzwanie. W odróżnieniu od elementów aktywnych (np. wzmacniaczy) lub pasywnych (rezystorów, wskaźników, kondensatorów), bezpiecznik topikowy jest urządzeniem jednorazowym i może być w pełni przetestowany tylko przez doprowadzenie go do skutecznego samozniszczenia. W związku z tym ewaluacja wymaga dysponowania wieloma egzemplarzami dla różnych wartości i typów bezpieczników.

Aby ułatwić ten proces, firma Bourns oferuje zestaw bezpieczników SMD SinglFuse SF-SP-LAB1 do szybkiego testowania prototypów (ilustracja 9). Zawiera on po pięć sztuk każdego z 18 typów bezpieczników zwłocznych (łącznie 90 sztuk) w rozmiarach 0402, 0603 i 1206 (metrycznych 1608 do 3216). Podobny zestaw SF-FP-LAB1 zawiera 160 sztuk szybkich bezpieczników precyzyjnych (po pięć sztuk dla 32 różnych wartości) w obudowach od 0402 do 1206 (metrycznych od 1005 do 3216).

Ilustracja 9: ponieważ testowanie często prowadzi do samozniszczenia bezpieczników, zestawy projektowe, takie jak omawiany zestaw bezpieczników SMD SinglFuse SF-SP-LAB1 FuseLab Kit do bezpieczników zwłocznych, ułatwiają projektantowi ewaluację rozmiaru, montażu, problemów termicznych, parametrów działania i innych kwestii. (Źródło ilustracji: Bourns)

Podsumowanie

Mimo prostej koncepcji działania, bezpieczniki termiczne są wyrafinowanymi, pasywnymi elementami elektrycznymi i mechanicznymi, opartymi na zaawansowanych aspektach termicznych, materiałowych i produkcyjnych. W miarę miniaturyzacji obwodów i produktów, która sprawia, że wymiana bezpiecznika przez użytkownika staje się coraz bardziej niepraktyczna, nierozsądna, a nawet niebezpieczna, oczywista jest potrzeba stosowania bezpieczników topikowych do montażu powierzchniowego (SMD), które są traktowane tak samo, jak każde inne urządzenie SMD. Ponadto, bezpieczniki topikowe SMD upraszczają proces montażu i produkcji oraz zmniejszają podatność konstrukcji na wibracje i korozję.

Jak wykazano, seria bezpieczników SMD SinglFuse firmy Bourns oferuje projektantom szeroką gamę zabezpieczeń nadprądowych i typów, aby sprostać potrzebom współczesnych produktów i procesów produkcji płytek drukowanych.

Materiały dodatkowe:

1. Bezpieczniki topikowe SMD SinglFuse ‑ samouczek
2. Bezpieczniki topikowe SMD SinglFuse firmy Bourns
3. Zestawy projektowe firmy Bourns z bezpiecznikami topikowymi SMD SinglFuse o szybkim i precyzyjnym działaniu i działaniu opóźnionym

Źródła

1. IEEE 2007 8th International Conference on Electric Fuses and their Applications, „To the origins of fuses”