Bezpieczniki - przegląd typów

Bezpieczniki "zwykłe" zapewniają tylko najbardziej podstawowy poziom ochrony nadprądowej i zwarciowej. Ich uzupełnieniem mogą być termistory, które pozwalają na ograniczanie prądu rozruchowego. Rezystory topikowe zapewniają zarówno kontrolę prądu rozruchowego, jak i zabezpieczenie nadprądowe/ zwarciowe. Najwszechstronniejszą ochronę gwarantują bezpieczniki elektroniczne zabezpieczające jednocześnie przed szeregiem niepożądanych zdarzeń prądowych. Wybór danego typu komponentu jest zatem uzależniony od wyniku analizy ryzyka wystąpienia konkretnego problemu w danym obwodzie.

Jak jest zbudowany bezpiecznik?

Bezpieczniki są z zamierzenia najsłabszym ogniwem. Jeżeli płynie przez nie prąd większy niż ten dopuszczalny przepalają się przerywając obwód, którego są częścią. Dzięki temu inne elementy są chronione przed przetężeniem na skutek zwarcia lub błędnego załączenia. Unika się ich uszkodzenia termicznego, zmniejszając ryzyko porażenia prądem użytkowników urządzenia czy pożaru. Bezpieczniki są komponentami jednorazowego użytku. Jeżeli się przepalą, trzeba je wymienić. Jest to nieskomplikowane, a same bezpieczniki są tanie.

Są to proste elementy. W ich obudowie znajduje się cienki metalowy drut zapewniający ciągłość obwodu w normalnych warunkach i przerywający go przez stopienie się pod wpływem ciepła wydzielającego się w nim przy przepływie prądu o nadmiernym natężeniu. Zazwyczaj jest to drut miedziany pokryty cienką warstwą cyny w celu ochrony przed korozją. Bezpieczniki są dostępne w różnych wykonaniach. Różnią się także parametrami dostosowanymi do zastosowań w przemyśle, instalacjach elektrycznych, elektronice.

Typy bezpieczników

Przykładami są: bezpieczniki z uchwytami do przykręcania, bezpieczniki butelkowe oraz wkładki bezpiecznikowe. Elementy te klasyfikuje się również ze względu na czas zadziałania. W oparciu o to kryterium wyróżnia się bezpieczniki szybko działające, które są najpopularniejszym typem. Mają krótki czas reakcji i zwykle chronią przed zwarciami i przetężeniami. Dostępne są też bezpieczniki zwłoczne, które działają z opóźnieniem. Są przydatne w zastosowaniach, w których spodziewane są chwilowe przetężenia albo prądy rozruchowe, jak na przykład w czasie uruchamiania silników.

Bezpieczniki półprzewodnikowe mają bardzo krótki czas reakcji i są przeznaczone do ochrony elementów półprzewodnikowych. Bezpieczniki ograniczające prąd z kolei przepalają się w czasie krótszym niż pół cyklu. Są wykorzystywane gdy ważne jest zminimalizowanie skutków zwarcia.

Dostępne są też bezpieczniki zaprojektowane pod kątem pracy w obwodach: wysokonapięciowych, na przykład w systemach dystrybucji energii, niskonapięciowych (oświetlenie i systemy sterujące), prądu przemiennego (odporniejsze na łuk elektryczny w przypadku przepalenia) i prądu stałego.

Parametry bezpieczników

W kartach katalogowych bezpieczników znajdziemy informację o ich prądzie znamionowym. Jest on ustalany przez producentów w określonych warunkach testowych. Zaleca się, aby bezpieczniki pracowały przy natężeniu nie większym niż 75% jego wartości. Zdolność wyłączenia to z kolei maksymalny dopuszczalny prąd, który bezpiecznik może wyłączyć przy napięciu znamionowym (też podawanym w specyfikacji) w sposób bezpieczny, pozostając nienaruszonym (bez uszkodzenia korpusu) i zapewniając przerwę w obwodzie. Jeżeli ten parametr bezpiecznika będzie za mały w stosunku do normalnego natężenia prądu w obwodzie szybko się on przepali i w razie wymiany na analogiczny model sytuacja ta się powtórzy. Jeśli z kolei zdolność wyłączenia będzie dobrana ze zbyt dużym marginesem bezpiecznik nie ochroni obwodu przed przetężeniem. W dokumentacji znajdziemy także charakterystykę wyłączania określającą szybkość reakcji bezpiecznika na różne przeciążenia prądowe.

Rezystory topikowe

Tytułowe elementy pełnią funkcję zarówno rezystorów ograniczających prąd, jak i bezpieczników, łącząc w sobie zalety zabezpieczenia przed prądem rozruchowym i zabezpieczenia nadprądowego w jednym podzespole. W normalnych warunkach pracy działają jak zwykłe rezystory ograniczając prąd. Jeśli jednak wartość jego natężenia przekroczy określony próg element bezpiecznikowy wewnątrz rezystora topi się. To przerywa obwód i chroni inne jego komponenty przed uszkodzeniem. Oprócz podwójnej funkcjonalności rezystory topikowe inaczej niż bezpieczniki reagują na przetężenie, co może mieć wpływ na inne elementy obwodu

Wartość rezystancji rezystorów topikowych mieści się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu omów, natomiast w przypadku bezpieczników typowo jest rzędu od miliomów do setek miliomów. Czasy zadziałania większości rezystorów topikowych są podobne do czasów reakcji bezpieczników. Niektóre szybko działające rezystory topikowe mogą reagować na nagłe zdarzenia zwarciowe z czasem zadziałania poniżej 20 μs. W specyfikacjach bezpieczniki są klasyfikowane ze względu na zdolność wyłączania prądu, a rezystory topikowe – mocy.

Ograniczenie rezystorów topikowych

Rezystory topikowe wykonuje się zwykle ze stopu niklu i chromu o temperaturze topnienia około +1400°C. Materiał ten charakteryzuje mały temperaturowy współczynnik rezystancji. Dzięki temu rezystory topikowe mają stabilną rezystancję w szerokim zakresie temperatur. Bezpieczniki to z kolei zwykle elementy miedziane albo srebrne, których temperatura topnienia wynosi typowo od +962°C do +1083°C. Mają również duży temperaturowy współczynnik rezystancji, co najmniej 10-krotnie większy niż w przypadku rezystorów topliwych ze stopu niklu i chromu. W rezultacie opór bezpiecznika rośnie szybciej, powodując szybsze osiągnięcie temperatury topnienia. Zapobiega to akumulacji ciepła, co ma miejsce w przypadku rezystorów topikowych. Silniejsze nagrzewanie się tych ostatnich może uszkodzić PCB i inne podzespoły w ich sąsiedztwie.

Może to wymuszać zachowanie odpowiednich odstępów od rezystora topikowego. Te o mocy do 10 W wymagają, aby inne części elektroniczne znajdowały się w odległości co najmniej centymetra. Jeżeli jednak moc znamionowa rezystora zabezpieczającego przekracza 10 W wymagany jest już większy odstęp. W przypadku urządzeń zamykanych w kompaktowych obudowach, jak na przykład zasilacze urządzeń mobilnych, znacząco utrudnia to rozmieszczenie podzespołów na PCB.

Chociaż zatem pozornie wydaje się, że rezystory topikowe jako pojedyncze elementy zapewniają oszczędność miejsca efektywniejszą alternatywą pod tym kątem mogą się okazać dwa oddzielne elementy. Równoważne zabezpieczenie nadprądowe i ograniczenie prądu rozruchowego zapewnić mogą bezpiecznik i termistor.

Termistory

Termistory to oporniki, których rezystancja zależy od temperatury. Jej zmiana wraz z temperaturą jest większa niż w przypadku zwykłych rezystorów. Charakterystyka temperaturowa termistorów jest silnie nieliniowa. Podzespoły te są wykonywane z materiałów półprzewodnikowych, zazwyczaj tlenków metali, na przykład kobaltu, manganu albo niklu.

Historia tytułowych komponentów sięga 1833 roku, kiedy Michael Faraday podczas badania półprzewodnikowych właściwości siarczku srebra zauważył, że rezystancja tego materiału znacząco maleje wraz ze wzrostem temperatury. Przez długi czas produkcja termistorów była jednak trudna. Na masową skalę udało się ją rozpocząć dopiero w 1930 roku.

Wyróżnia się dwa rodzaje termistorów w zależności od tego jak zmienia się ich rezystancja wraz z temperaturą. Są to elementy ze współczynnikiem temperaturowym ujemnym NTC (Negative Temperature Coefficient), których rezystancja wraz ze wzrostem temperatury maleje i dodatnim PTC (Positive Temperature Coefficient), dla których zależność ta jest odwrotna.

 

Rys. 1. Alternatywą dla rezystorów topikowych jest zestaw bezpiecznik i termistor

Parametry i zastosowania termistorów

Najważniejsze parametry termistorów to: wartość rezystancji przy zerowym obciążeniu (bez obciążenia), stała β, stała α, termiczna stała czasowa τ i współczynnik rozproszenia δ. Pierwszy z nich określa wartość rezystancji zmierzoną w określonej temperaturze, zwykle +25°C, przy mocy rozproszonej przez termistor na tyle małej, że jej jakikolwiek dalszy spadek spowoduje zmianę rezystancji nie więcej niż o 0,1%. Stała β to nachylenie charakterystyki rezystancji w funkcji temperatury. Stała α to współczynnik temperaturowy, który charakteryzuje procentową zmianę rezystancji przy zmianie temperatury o jeden stopień. Termiczna stała czasowa τ to z kolei to czas potrzebny termistorowi na zmianę 63,2% całkowitej różnicy między początkową i końcową temperaturą pod wpływem skokowej zmiany temperatury przy zerowej mocy. Współczynnik rozpraszania δ to zaś stosunek zmiany mocy rozpraszanej w termistorze do wynikowej zmiany temperatury w danej temperaturze otoczenia.

Zarówno termistory o dodatnim, jak i ujemnym współczynniku temperaturowym wykorzystuje się w ochronie obwodów przed problemami prądowymi, odpowiednio jako zabezpieczenie nadprądowe i ograniczniki prądu rozruchowego. W drugim przypadku po włączeniu termistor NTC ma dużą rezystancję, dzięki czemu ogranicza prąd startowy. W miarę jak się nagrzewa jego rezystancja spada, co umożliwia wzrost prądu do wartości znamionowej już po rozruchu. W przypadku ochrony przed zwarciem wykorzystuje się z kolei to, że przepływ nadmiernego prądu nagrzewając termistor PTC powoduje wzrost jego rezystancji, co z kolei ogranicza prąd.

 

Rys. 2. Charakterystyka temperaturowa termistorów NTC a) i PTC b)

Bezpieczniki elektroniczne

Bezpieczniki elektroniczne to specjalizowane układy scalone. W zależności od zaimplementowanej funkcjonalności mogą chronić przed zwarciami, przetężeniami, przepięciami, prądami zwrotnymi i nadmiernymi temperaturami, a nawet kontrolować prądy rozruchowe. Nie dotyczą ich ograniczenia opisanych wcześniej dyskretnych podzespołów ochrony obwodów przed problemami prądowymi. Przykładowo w przeciwieństwie do zwykłych bezpieczników mogą być resetowane, niektóre nawet automatycznie, w ustalonych odstępach czasu, zwykle rzędu kilkuset milisekund, aż do momentu usunięcia usterki. Działają też szybciej. Typowo bezpieczniki elektroniczne reagują w ciągu setek nanosekund, w porównaniu z sekundą i dłużej w przypadku dyskretnych elementów.

Bezpieczniki elektroniczne mają w swojej ofercie czołowi producenci w branży. Przykładem jest układ STEF05L z oferty firmy ST Microelectronics. Jest to zintegrowany bezpiecznik elektroniczny zoptymalizowany do monitorowania prądu wyjściowego i napięcia wejściowego, chroniący przed przetężeniem i przepięciem. STEF05L ma kontrolowane opóźnienie i czas włączenia. Gdy wystąpi stan przetężenia, układ ogranicza prąd wyjściowy do wcześniej określonej bezpiecznej wartości. Jeśli anomalny stan przeciążenia będzie się utrzymywał, przechodzi w stan otwarty, odłączając obciążenie od zasilania. Jeżeli na płytce występuje ciągłe zwarcie, po ponownym włączeniu zasilania bezpiecznik początkowo ogranicza prąd wyjściowy do bezpiecznej wartości, a następnie ponownie przechodzi w stan otwarty. Z kolei obwód ograniczający napięcie zapobiega przekroczeniu przez napięcie wyjściowe ustalonej wartości, jeśli napięcie wejściowe przekroczy ten próg. Częścią STEF05L jest też w obwód zabezpieczenia termicznego. Jego zadziałanie sygnalizowane jest w obwodach kontrolnych płytki poprzez odpowiedni sygnał na wyjściu Fault. Po zadziałaniu zabezpieczenia termicznego bezpiecznik można zresetować poprzez ponowne załączenie napięcia zasilania albo użycie odpowiedniego styku włączającego. STEF05L jest również dostępny w wersji z autoretry. W tym wykonaniu w razie problemu termicznego układ automatycznie podejmuje próbę ponownego podania zasilania do obciążenia, gdy tylko temperatura obniży się do bezpiecznej wartości.

 

Rys. 3. Schemat blokowy bezpiecznika elektronicznego STEF05L

Monika Jaworowska