Bezpieczniki w wersji SMD sposobem na lepsze parametry i większe bezpieczeństwo produktu

Artykuł przedstawia podstawowe dane na temat bezpieczników i sposobów ochrony obwodów elektrycznych. W dalszej części przedstawiono bezpieczniki topikowe SMD firmy Bourns, w tym podstawowe cechy i sposób ich zastosowania.

Oprócz wersji klasycznych projektanci mają dzisiaj też do dyspozycji wersje SMD. Wykorzystują one różnorodne technologie zapewniające wytworzenie topika o zadanych parametrach i charakterystykach zadziałania, takich jak szybkie, wolne lub zwłoczne.

Tradycyjny bezpiecznik z aktywowanym termicznie elementem topikowym ma około 150 lat i jest najbardziej znanym rodzajem zabezpieczenia obwodu elektrycznego. Jest niezawodny i działa w oparciu o łatwą do zrozumienia zasadę działania. Czyni to poprzez nieodwracalne przerwanie obwodu przepływu prądu, gdy natężenie przekroczy wartość określoną w konstrukcji bezpiecznika.

 

Rys. 1. Na schematach elektrycznych bezpiecznik jest przedstawiany za pomocą jednego z kilku symboli w zależności od używanego standardu

Taki bezpiecznik składa się z cienkiego metalowego drutu (topik), którego średnica, materiał, kształt, system montażu jest precyzyjnie zaprojektowany (rys. 1). Gdy prąd przepływający przez topik przekroczy wstępnie ustawiony limit i będzie płynął przez wystarczająco długi czas, drut stopi się w wyniku samonagrzewania, przerywając obwód. Wydzielanie ciepła jest bezpośrednią konsekwencją przepływu dużego prądu przez rezystancję topika.

Bezpieczniki są dostępne w wielu typach obudów, takich jak popularna mała szklana wkładka rurkowa 3AG o średnicy 6,35 mm i długości 32 mm. Dla każdego typu bezpiecznika i jego prądu znamionowego producenci dostarczają szczegółowe wykresy pokazujące zależność między wartością przetężenia a skumulowanym czasem wymaganym do stopienia się topika, a tym samym zatrzymania przepływu prądu. Nazywa się to wartością znamionową I2t (całką Joule’a) wskazującą dostępną energię cieplną wynikającą z przepływu prądu i mierzy jednostką amper2-sekunda (A2s). Chodzi o to, że im silniejsze przeciążenie w obwodzie tym czas wyłączenia jest krótszy.

Bezpiecznik nie jest jedynym zabezpieczeniem obwodu używanym w projektach. Istnieją inne elementy pasywne, które zapewniają inne formy ochrony poprzez ograniczanie wartości prądu, blokowanie, bocznikowanie lub "obcinanie" pików w udarach prądu lub napięcia. Jednak żaden z nich nie zapewnia pełnego i nieodwracalnego odcięcia prądu w obwodzie tak jak element topikowy. Elementy takie nie zastępują więc bezpiecznika, ale mogą być używane, gdy rozwiązanie tradycyjne nie jest odpowiednią opcją lub jako uzupełnienie. Wśród innych dobrze znanych zabezpieczeń obwodów można wymienić:

• Warystory z tlenków metali (MOV),
• Termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC),
• Diody tłumiące stany przejściowe (TVS),
• Elementy wyładowcze (GDT),
• Bezpieczniki polimerowe resetowalne PTC,
• Bezpieczniki termiczne (aktywowane przekroczeniem temperatury).

Wymienna wkładka topikowa

Zazwyczaj zakłada się, że bezpieczniki topikowe są częściami wymiennymi i powinny być montowane wraz z odpowiednim gniazdem. Ta możliwość wymiany jest obecnie niepotrzebna i w przypadku wielu produktów może być nawet niepożądana. Dotyczy to urządzeń o małej mocy, takich jak telefony komórkowe, ładowarki, zasilacze wtyczkowe i zabawki, ale także jest to częsta opcja dla urządzeń średniej mocy, w tym elektronarzędzi, sterowników przemysłowych, a nawet systemów o jeszcze większej mocy, takich jak ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV). Ważne zagadnienia to:

• w aplikacjach mogą być potrzebne bezpieczniki o różnych wartościach znamionowych, po to, aby zabezpieczyć różne obwody, w tym te z wrażliwymi ścieżkami sygnałowymi, a nie tylko cały produkt na wejściu.
• bezpiecznikiem może być mały, szczelny komponent SMD. Przykładem może być element ochronny wykorzystywany do ochrony akumulatora litowo-jonowego, do którego użytkownik końcowy nie ma dostępu.
• z punktu widzenia bezpieczeństwa wymiana bezpiecznika nie powinna mieć miejsca, chyba że znany jest rzeczywisty powód awarii bezpiecznika. W większości przypadków spalenie bezpiecznika oznacza, że układ elektroniczny jest trwale niesprawny i wymiana jest stratą czasu. Na przykład, jeśli bezpiecznik jest częścią obwodu ochronnego baterii litowej i jej obwodu ładowania, jest tym samym krytycznym elementem tej funkcji. Dlatego istotne jest, aby znaleźć przyczynę "przepalenia" bezpiecznika, a nie tylko na ślepo go wymieniać.
• gniazdo bezpiecznika i jego kontakty zwiększają obawy o niezawodność ochrony nadprądowej z powodu korozji, wibracji i innych czynników środowiskowych.
• wreszcie jest też kwestia rozmiaru: bezpiecznik, który jest przylutowany do płytki bez oprawki, będzie mniejszy i łatwiejszy w integracji.

Problem z zajętością miejsca na PCB rozwiązują wersje SMD. One też mogą być montowane automatycznie w typowym procesie SMT, więc nic dziwnego, że szybko zyskują popularność. Niemniej, aby używać ich sensownie, konieczne jest spojrzenie poza tradycyjny bezpiecznik z drutowym topikiem.

Szeroka gama bezpieczników SMD sprosta wyzwaniom nowoczesnego projektu

Firma Bourns opracowała rodzinę bezpieczników z drutem topikowym SinglFuse w obudowach SMD, które są dostępne w szerokim zakresie prądów i napięć roboczych. Asortyment obejmuje siedem różnych rozwiązań konstrukcyjnych: z napyloną cienkowarstwową warstwą metaliczną, z cienkowarstwową płytką, wielowarstwową ceramiką, laminatem ceramicznym, rdzeniem drutowym, rurką i kostką ceramiczną (rys. 2).

Z użytą do produkcji technologią powiązane są parametry elektryczne tych elementów, takie jak prąd znamionowy, napięcie znamionowe, zdolność wyłączania, całka I2t i zakres temperatur roboczych. Ponadto produkty SinglFuse są zgodne z UL, TUV i VDE oraz są zgodne z normami UL 248 i IEC 60127, co ułatwia uzyskanie ogólnej certyfikacji całego produktu. Do zastosowań motoryzacyjnych, w których wymagane jest spełnianie rozszerzonej specyfikacji i niezawodne działanie w szerokich temperaturach, a więc jeden z wielu wymogów tej branży, dostępne są wersje zgodne z AEC-Q200.

 

Rys. 2. Rodzina bezpieczników SinglFuse to elementy SMD dostępne dla wielu kombinacji prądów i napięć

Mały rozmiar wersji SMD nie ogranicza możliwości

Zwykle podzespoły w małych obudowach mają jakieś ograniczenia w zakresie funkcji lub możliwości w porównaniu z dużymi wersjami tradycyjnymi. Producent zapewnia, że nie dotyczy to rodziny SinglFuse – elementy te są dostępne w obudowach od prawie niewidocznej 0402 (tj. 1×0,5 mm) dla małych wartości prądów znamionowych, do 3812 (3,81×2,54 mm) zdolnych do przenoszenia większych obciążeń.

Poza rozmiarem SinglFuse są dostępne z różnymi charakterystykami odpowiedzi, w tym:

• szybko działający,
• szybko działający precyzyjny – z węższą tolerancją kluczowych specyfikacji,
• wolny – niereagujący na chwilowy prąd udarowy, który przekracza wartość prądu znamionowego,
• zwłoczny – przenosi krótkotrwałe przetężenie, zanim rzeczywiście zadziała,
• do obwodów z dużym prądem rozruchowym. Należy zwrócić uwagę, że specyfika tych profili, definiujących zależności prądu od czasu, jest określona w odpowiednich kartach katalogowych i powinna zostać oceniona przez projektanta, aby uzyskać najlepsze dopasowanie elementu do zastosowania. Wymiary i typ charakterystyki zakodowane są w symbolu produktu. Na przykład szybko działający, precyzyjny bezpiecznik SMD SF-2410FP0062T-2 jest umieszczony w rurze ceramicznej o podstawie EIA 2410 (metryczne 6125) i ma wymiary 2,1×2,6 mm oraz 6 mm długości (rys. 3).

 

Rys. 3. Bourns SF-2410FP0062T-2 to szybko działający precyzyjny bezpiecznik w wersji SMD

Ten bezpiecznik jest przeznaczony do pracy przy napięciu 125 VAC/DC i ma znamionową wartość prądu 62 mA, przy typowej wartości I2t wynoszącej 0,0012 A2s. Topik otwiera się w pięć sekund przy 200% prądu znamionowego, a na rysunkach 4 i 5 pokazano kluczowe wskaźniki czasu reakcji bezpiecznika: czas przed łukiem (rys. 4) i I2t (rys. 5). Warto też pamiętać o spadku napięcia I·R na drucie topika ze względu na jego niezerową rezystancję wynoszącą około 6 Ω. Dla prądu znamionowego spadek ten wynosi maksymalnie 40 mV.

Zupełnie inny profil ma bezpiecznik zwłoczny SF-1206S700 (rys. 6) o prądzie znamionowym 7 A, który ma przepalać się w ciągu pięciu sekund przy 250% maksymalnego prądu znamionowego.

SF-1206S700 wykorzystuje inną technologię niż SF-2410FP-T i jest wytwarzany w płaskiej obudowie 3216 (EIA 1206, 1,55×3,1 mm) o wysokości zaledwie 0,6 mm (rys. 7). Jego rezystancja, wynosząca zaledwie 7 mΩ, zapewnia mały spadek napięcia, nieco poniżej 50 mV dla maksymalnego prądu.

 

Rys. 4. Karta katalogowa SF-2410FP0062T-2 zawiera szczegółowe informacje na temat wartości czasu przed łukiem elektrycznym dla szerokiego zakresu prądów od bardzo małych wartości do prądu znamionowego. Jest to parametr, który określa profil odpowiedzi bezpiecznika w funkcji prądu

 

Rys. 5. Specyfikacja SF-2410FP0062T-2 pokazuje również krytyczny profil I2t dla skumulowanej  energii cieplnej przy różnych poziomach prądu płynącego przez topik

Chociaż specyfikacja tego bezpiecznika zawiera wykresy podobne do tych dla bezpiecznika SF-2410FP-T 62 mA, z uwagi na zwłoczny typ jest on dodatkowo charakteryzowany przez krzywą obniżania wartości znamionowych (deratingu) I2t w funkcji wartości skoku prądu podczas przełączania obwodów, która dodatkowo definiuje działanie bezpiecznika zwłocznego w obwodzie z powtarzającą się operacją załączania i rozłączania (rys. 8).

 

Rys. 6. Zwłoczny 7-amperowy bezpiecznik SF-1206S700 z rodziny Bourns SF-1206S rozłącza obwód w czasie 5 s przy 250% maksymalnego prądu znamionowego

Testowanie bezpieczników, ewaluacja prototypów i ocena ich działania nie są łatwe. W przeciwieństwie do elementów aktywnych (na przykład wzmacniaczy operacyjnych) lub pasywnych (jak rezystory, kondensatory) bezpiecznik jest urządzeniem jednorazowym i można go w pełni przetestować tylko przez akceptację autodestrukcji. W konsekwencji warto mieć pod ręką wiele różnych wartości i typów bezpieczników do oceny.

 

Rys. 7. Przekrój bezpiecznika zwłocznego SF-1206S700 ilustruje, jak zaawansowane materiały i technologie wykorzystywane są do produkcji

 

 

Rys. 8. Bezpieczniki zwłoczne są często poddawane powtarzającym się cyklom wysokiego prądu rozruchowego powstającym podczas załączania zasilania, karta katalogowa SF-1206S700 wyjaśnia wpływ tych cykli na działanie elementu

Aby to ułatwić, Bourns oferuje zestaw SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab do samodzielnego testowania prototypów (rys. 9). Zawiera on po pięć z 18 bezpieczników zwłocznych (w sumie 90 sztuk) w rozmiarach 0402, 0603 i 1206 (metrycznych od 1608 do 3216); podobny zestaw SF-FP-LAB1 zawiera 160 sztuk wersji szybko działających i precyzyjnych (po pięć każdej z 32 wartości) w opakowaniach od 0402 do 1206 (metrycznych od 1005 do 3216).

Wnioski

niepraktyczna, nierozsądna, a nawet niebezpieczna. Oczywista jest ponadto potrzeba stosowania bezpieczników do montażu powierzchniowego, które upraszczają proces montażu i produkcji oraz zmniejszają podatność konstrukcji na wibracje i korozję dzięki temu, że nie wymagają gniazda.

Jak pokazano, seria bezpieczników Bourns SinglFuse SMD oferuje projektantom szeroką gamę zakresów i typów zabezpieczeń nadprądowych, aby zaspokoić potrzeby współczesnych produktów i procesów produkcji płytek drukowanych.

 

Rys. 9. Ponieważ testy oznaczają zniszczenie bezpieczników, zestawy projektowe takie jak SF-SP-LAB1 i SinglFuse SMD FuseLab ułatwiają projektantowi dobór i ocenę

Rolf Horn, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/