Bezpieczniki SMD o zdolności wyłączania 4000 A

Rys. 1. Podstawowe typy bezpieczników SMD: a) SMD chipowy, b) SMD blokowy, c) SMD cylindryczny ze złoconymi stykami

Bezpieczniki do montażu powierzchniowego, tzw. bezpieczniki SMD, używane są do kontrolowania i wyłączania prądów przetężeniowych przy małych rozmiarach obudowy elementu. Aby to osiągnąć, do różnorodnych aplikacji stosuje się różne konstrukcje bezpieczników, które zapewniają optymalne wykorzystanie powierzchni dostępnej na płytce drukowanej. Tabela 1 zawiera przegląd najczęściej stosowanych na świecie bezpieczników SMD.

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

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

Jeżeli chodzi o zabezpieczenie w przypadku "prawdziwych zwarć" 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, stabilność termiczna wymagana przy lutowaniu rozpływowym została zapewniona poprzez zastosowanie w bezpieczniku lutowia, topniejącego w wyższych temperaturach.

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

Nowy, duży "brat"

Rys. 2. Bezpiecznik SMD 250 V o dużej zdolności wyłączania

Do tej pory brakowało 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 o napięciu znamionowym 250 V, który jest w stanie przerwać prądy wyłączeniowe przekraczające 1500 A.

To wszystko osiągnięto za pomocą bezpiecznika o wymiarach 4,5×16 mm (rys. 2). Z jednej strony bezpiecznik ten jest dużo większy niż bezpiecznik SMD chipowy, 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 (rys. 2). W porównaniu z dotychczasową konstrukcją nowy, prostopadłościenny bezpiecznik SMD w niemal wszystkich przypadkach charakteryzuje się znacznymi zaletami podczas procesu montażu.

Ponadto występuje pozytywny "efekt uboczny". Ponieważ prąd znamionowy jest zawsze łatwy do odczytania, nie trzeba już posługiwać się trudnymi do rozszyfrowania kodami barwnymi.

Konstrukcja tego bezpiecznika to nic nowego: składa się on z tych samych elementów, z których zbudowane są używane od dziesięcioleci bezpieczniki cylindryczne. Widoczne części to ceramiczny korpus oraz pokrywy stykowe, które szczelnie izolują przestrzeń, w której znajduje się topik. W celu uzyskania styczności z topikiem wewnątrz bezpiecznika stosuje się lutowanie w wysokich temperaturach, które jednocześnie zapewnia przyczepność między pokrywami stykowymi i korpusem izolacyjnym.

Wszystkie te części muszą być przede wszystkim odporne na wysokie temperatury występujące podczas lutowania rozpływowego. Konstrukcja została tak zaprojektowana, aby była odporna na temperaturę nagrzewania wstępnego wzrastającą od 150 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, bezpieczniki te charakteryzują się zwłoczną charakterystyką działania (T), tzn. przy dziesięciokrotnym prądzie znamionowym, czas zadziałania wynosi od 10 do 100 ms.

To czyni je odpornymi na prądy udarowe załączania po pierwotnej stronie transformatora. 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". Zgodnie z odnośnymi normami 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 przy projektowaniu bezpieczników. W ten sposób bezpiecznik ten chroni przed wszelkimi potencjalnymi prądami zwarciowymi w urządzeniu i jest on odpowiedni do wszelkich zastosowań po pierwotnej stronie transformatora w zespole zasilającym.

"Prawdziwe" prądy zwarciowe

Rys. 3. Efekt ograniczenia prądu przez bezpieczniki

Jak to możliwe, aby tak mały element był w stanie wytrzymać prądy zwarciowe do 4000 A? Przyczyna tego leży w zdolności bezpieczników do wyłączania 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 bezpiecznik, prąd 4000 A płynąłby przez kilka półfali dopóki nie zadziałałoby inne urządzenie ochronne, np. domowy wyłącznik nadmiarowo- prądowy. Jednak wtedy byłoby niestety za późno dla urządzenia, w którym nastąpiło zwarcie. Pomijając inne szkody, przypadkowy łuk mógłby pozostawić trwałe ślady.

W przypadku zastosowania na płytce drukowanej bezpiecznika, 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. Działanie polega na ograniczeniu prądu - topik wyłącza prąd zakłóceniowy, zanim prąd półfali osiągnie maksimum.

W tabeli 2 przedstawiono największe wartości prądów ograniczonych oraz czasy wyłączania bezpieczników na prądy znamionowe 1 i 10 A. Na przykładzie widać, że bezpiecznik 1 A wyłącza prąd zwarciowy 4000 A w czasie 0,5 ms, ograniczając do 200 A prąd w czasie jego wzrostu.

Co można z nimi zrobić?

Tabela 2. Prądy ograniczone oraz czasy wyłączania dla 4000 A

Celem nowych bezpieczników SMD jest na przykład zabezpieczanie obwodów po stronie pierwotnej zespołów zasilających. Maksymalny prąd znamionowy 10 A umożliwia również skuteczne zabezpieczenie zespołów zasilających o większej mocy. Przy prądach znamionowych do 6,3 A, bezpieczniki są nawet przystosowane do napięcia pracy 277 V, np. do zastosowań w Stanach Zjednoczonych, otrzymały one odpowiedni certyfikat organizacji konsumenckiej UL.

Już na etapie projektowania bezpieczników uwzględniono możliwość ich zastosowania 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, bezpieczniki te 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