Bezpieczniki SMD - nowa konstrukcja o zdolności wyłączania 4000 A

Cała rodzina 160016

Bezpieczniki do montażu powierzchniowego (typ 160016), tzw. bezpieczniki SMD, używane są do kontrolowania i wyłączania prądów przetężeniowych w obwodach elektronicznych na płytkach drukowanych przy jak najmniejszej zajmowanej przestrzeni. Aby to osiągnąć, do różnorodnych aplikacji stosuje się różne wersje, które zapewniają optymalne wykorzystanie powierzchni dostępnej na płytce drukowanej. Tabela 1 zawiera przegląd najczęściej stosowanych na świecie bezpieczników SMD.

Najmniejszymi członkami rodziny są bezpieczniki chipowe (rys. 1a). Przy szerokości poniżej 1 mm są one używane w telefonach komórkowych, golarkach oraz innych małych urządzeniach. Działają jako "zawory bezpieczeństwa" w przypadku uszkodzeń w akumulatorach litowych. Typowe napięcia znamionowe to 10, 20, 30 oraz 40 V dla prądu przemiennego lub stałego.

Rys. 1. Podstawowe typy bezpieczników SMD: chipowe, blokowe oraz cylindryczne

Bezpieczniki na napięcie 100 V oraz powyżej są nieznacznie większe. Zostały zaprojektowane jako wersje blokowe (rys. 1b), w większości przypadków mają ceramiczną obudowę i w porównaniu z bezpiecznikami chipowymi są "trudne do przeoczenia", ponieważ ich wymiar wynosi ok. 6 mm. Ta grupa obejmuje również bezpieczniki o napięciu znamionowym 250 V. Dzięki maksymalnej zdolności wyłączania rzędu 100 A przy 250 V mogą stanowić zabezpieczenie zwarciowe w obwodach wtórnych.

Jeżeli chodzi o zabezpieczenie w przypadku "prawdziwych" zwarć w elektronice, czyli, prądach przetężeniowych rzędu kilkuset amperów, to do tej pory dostępne były bezpieczniki cylindryczne o wymiarach 5×20 mm (rys. 1c), specjalnie przygotowane do montażu powierzchniowego. W porównaniu ze standardową konstrukcją ich stabilność termiczna wymagana przy lutowaniu rozpływowym została zapewniona poprzez zastosowanie lutowia o temperaturze topnienia wyższej w porównaniu do wartości wykorzystywanych w procesie SMT.

Pokrywy stykowe, zamiast być niklowane, często są złocone. Te bezpieczniki bez żadnych problemów są w stanie wyłączyć prąd 1500 A, zgodnie ze znormalizowaną klasyfikacją "H", nawet przy napięciu sieci 230 V. To właśnie dlatego są one najchętniej używane w obwodach pierwotnych zespołów zasilających.

Nowość firmy SIBA

Rys. 2. Bezpiecznik SMD 250 V o dużej zdolności wyłączania: 1 - korpus izolacyjny, 2 - pokrywy stykowe, 3 - topik, 4 - piasek kwarcowy, 5 - lutowie

Do tej pory brakowało też bezpiecznika o wymienionych wcześniej właściwościach technicznych, które nie ulegałyby pogorszeniu podczas montażu. Teraz ta luka może zostać wypełniona przez zaprezentowany tutaj nowo opracowany prostopadłościenny bezpiecznik 160016 o napięciu znamionowym 250 V, który jest w stanie zabezpieczyć obwody przy prądach wyłączeniowych przekraczających 1500 A. Element ten ma wymiary 4,5×16 mm (rys. 2). Z jednej strony jest on dużo większy niż chipowy SMD, z drugiej strony wciąż jeszcze jest mniejszy od bezpiecznika SMD cylindrycznego o podobnych parametrach technicznych.

Do tej pory do różnorodnych zastosowań używano głównie bezpieczników 5×20 mm z końcówkami do lutowania. W porównaniu z dotychczasową konstrukcją nowy element w niemal wszystkich przypadkach charakteryzuje się znacznymi zaletami podczas montażu. Jego budowa przypomina bezpieczniki cylindryczne: jest ceramiczny korpus oraz pokrywy stykowe, które szczelnie izolują przestrzeń, w której znajduje się topik.

W celu uzyskania styczności z topikiem wewnątrz stosuje się lutowanie w wysokich temperaturach, które jednocześnie zapewnia przyczepność między pokrywami stykowymi i korpusem izolacyjnym. Konstrukcja została tak zaprojektowana, aby była odporna w procesie rozpływowym na temperaturę nagrzewania wstępnego wzrastającą od 150°C do 200°C w czasie od 60 do 120 s, jak również na temperaturę lutowania rozpływowego większą niż 217°C przez 60 do 90 s, z temperaturą szczytową 250°C przez około 30 s.

Tabela 1. Przegląd bezpieczników SMD

Zgodnie z dotyczącą bezpieczników SMD normą EN 60127-4, charakteryzują się one zwłoczną charakterystyką działania (T), tzn. przy dziesięciokrotnym prądzie znamionowym ich czas zadziałania wynosi od 10 do 100 ms. Ta właściwość czyni je odpornymi na prądy udarowe załączanych obciążeń indukcyjnych. Z drugiej strony, w przypadku przeciążeń działają one stosunkowo szybko - prądy dwukrotnie większe od prądu znamionowego wyłączają już po około jednej minucie.

Na koniec informacja najważniejsza - bezpieczniki te mają "dużą zdolność wyłączania" oznaczoną literą "H". Oznacza to, że są one w stanie wyłączać prąd 1500 A przy 250 V prądu przemiennego. Ponieważ jednak wiadomo, że zdarzają się prądy zwarciowe w zakresie do 4000 A, zostało to uwzględnione w ich konstrukcji.

Zapewniają wyłączanie wszystkich prądów zwarciowych już na etapie ich wzrastania - tzn. działają one metodą "ograniczania prądu". Zostało to zilustrowane na rysunku 3, na przykładzie prądu zwarciowego 4000 A. Jeżeli w zwartym obwodzie nie byłby zastosowany dobrze dobrany bezpiecznik, prąd 4000 A płynąłby przez kilka połówek sinusoidy napięcia, dopóki nie zadziałałoby inne urządzenie ochronne, np. domowy wyłącznik nadmiarowo-prądowy.

Rys. 3. Efekt ograniczenia prądu przez bezpieczniki

Jednak wtedy byłoby niestety za późno dla urządzenia, w którym nastąpiło zwarcie. W przypadku bezpiecznika 160016 w ogóle nie dojdzie do wspomnianej sytuacji. Z powodu dużej gęstości prądu występującej w czasie wyłączania cienki drut topikowy topnieje i paruje w ciągu kilku milisekund.

Podczas tego procesu cząstki metalu topika kondensują na ziarenkach piasku. W rezultacie powstaje mały łuk, który utrzymuje się do czasu, gdy mieszanina piasku kwarcowego z metalem utworzy przerwę izolacyjną. Topik odcina obwód, zanim prąd osiągnie maksimum. W tabeli 2 przedstawiono największe wartości prądów ograniczonych oraz czasy wyłączania bezpieczników na prądy znamionowe 1 A i 10 A. Widać, że wersja 1 A wyłącza prąd zwarciowy 4000 A w czasie 0,5 ms, ograniczając natężenie szczytowe do 200 A.

Aplikacje

Tabela 2. Prądy ograniczone oraz czasy wyłączania dla 4000 A

Nowe bezpieczniki przeznaczone są do pracy w obwodach pierwotnych zespołów zasilających. Maksymalny prąd znamionowy 10 A umożliwia również skuteczne zabezpieczenie zespołów zasilających o większej mocy. Przy prądach znamionowych do 6,3 A są przystosowane do napięcia pracy do 277 V i mają certyfikat UL.

Elementy mogą być stosowane w miejscach, w których mogą wystąpić atmosfery wybuchowe. W celu spełnienia wymagań normy IEC 60079-11 w tym zakresie, dobrana została odpowiednia odległość między pokrywami, wynosząca około 10 mm. W ten sposób bezpieczniki dodatkowo spełniają wymagania północnoamerykańskich jednostek certyfikujących.

Bezpieczniki te mogą być stosowane we wszystkich przypadkach, gdzie występują duże spodziewane prądy zwarciowe przy napięciu sieci 230 V - tzn. np. w konwerterach sygnałów, obwodach kontrolnych, czujnikach, polach pomiarowych, w urządzeniach w wykonaniu przeciwwybuchowym, w interfejsach i urządzeniach sterujących. Ponadto charakteryzują się zdolnością wyłączania 1500 A przy napięciu stałym 250 V, co czyni je jeszcze bardziej wszechstronnymi.

Heinz-Urlich Haas
Kierownik Działu Badań i Rozwoju
Siba GmbH
www.siba-bezpieczniki.pl