Utilizarea siguranțelor SMD pentru facilitarea configurării, reducerea dimensiunii produselor și îmbunătățirea robusteții

Siguranța activată termic este cel mai vechi dispozitiv de protecție a circuitelor care încă este utilizat pe scară largă. Acesta este bine înțeles, fiabil, consecvent și aprobat de standardele de reglementare. Cu toate acestea, având în vedere că produsele finale sunt din ce în ce mai complexe și de dimensiuni tot mai mici, proiectanții au nevoie de o alternativă la siguranța și suportul de siguranță care pot fi înlocuite de către utilizator, pentru a reduce factorul de formă, a simplifica asamblarea, a îmbunătăți robustețea și a spori și mai mult siguranța.

În schimb, proiectanții pot utiliza dispozitive de montare pe suprafață (SMD) fără a face compromisuri în ceea ce privește performanța. Siguranțele SMD utilizează diverse tehnologii pentru a asigura fuzionarea termică împreună cu întreaga gamă de caracteristici necesare ale siguranțelor fuzibile, cum ar fi acționarea rapidă și arderea lentă.

Acest articol va oferi o introducere rapidă în ceea ce privește utilizarea siguranțelor, protecția circuitelor și considerentele legate de proiectare. Apoi va prezenta și descrie siguranțele SMD de la Bourns, inclusiv caracteristicile lor principale și modul în care sunt aplicate.

Siguranța de bază rezistă

Siguranța fuzibilă tradițională, cu legătura fuzibilă activată termic, are aproximativ 150 de ani și este cel mai cunoscut și mai direct tip de dispozitiv de protecție a circuitelor. Este fiabilă și simplu de înțeles, cu performanțe constante în ceea ce privește singura sa funcție de protecție împotriva supracurenților. Siguranțele fac acest lucru prin deschiderea clară și irevocabilă a traseului circuitului și prin întreruperea fluxului de curent atunci când nivelul de curent depășește valoarea stabilită de modelul siguranței.

O siguranță tradițională este reprezentată prin diferite simboluri schematice în funcție de standardul grafic și este alcătuită dintr-un fir metalic care este proiectat cu precizie în ceea ce privește modelul, dimensiunile și materialele (Figura 1). Atunci când curentul care trece prin această legătură fuzibilă depășește o limită prestabilită pentru o perioadă suficientă de timp, legătura se va topi pe măsură ce se auto-încălzește. Această auto-încălzire este o consecință directă a pierderii de putere ohmică I²R din cauza fluxului de curent care trece prin rezistența legăturii.

Figura 1: siguranța fuzibilă este reprezentată de unul din mai multe simboluri schematice, în funcție de standardul utilizat. (Sursă imagine: ClipArtKey.com)

Siguranțele sunt disponibile în mai multe tipuri de pachete, cum ar fi bine-cunoscutul cartuș de sticlă tip 3AG, de mici dimensiuni, care măsoară ¼ de inch în diametru și 1¼ de inch în lungime. Pentru fiecare siguranță și curent nominal, vânzătorii furnizează grafice detaliate care arată relația dintre valoarea supracurentului și timpul acumulat necesar pentru ca elementul siguranței să se topească și să oprească astfel fluxul de curent prin siguranță. Acesta este denumit indice I²t, care indică energia termică disponibilă rezultată din fluxul de curent și se măsoară în amperi²-secunde (A²s).

Siguranța nu este singurul dispozitiv de protecție a circuitelor utilizat de proiectanți. Există și alte dispozitive pasive care asigură alte forme de protecție prin limitarea, blocarea, șuntarea sau cauzarea unui scurtcircuit împotriva creșterilor excesive de curent sau tensiune. Cu toate acestea, niciuna dintre acestea nu asigură întreruperea clară și ireversibilă a curentului siguranței. Acestea nu înlocuiesc funcția siguranței, dar pot fi utilizate atunci când siguranța nu este opțiunea de protecție adecvată sau pentru a completa acțiunea siguranței atunci când acest lucru are sens din punct de vedere tehnic. Printre celelalte dispozitive de protecție a circuitelor bine cunoscute se numără:

• Varistorul metalic-oxid (MOV)
• Termistorul cu coeficient pozitiv de temperatură (PTC)
• Dioda supresoare de tensiune tranzitorie (TVS)
• Tubul cu descărcare în gaz (GDT)
• Siguranța PTC resetabilă din polimer

La fel ca și siguranțele, fiecare dintre acestea are un rol în asigurarea protecției circuitelor, dar legătura fuzibilă, care întrerupe circuitul de bază, își păstrează rolul și funcția în multe proiecte datorită combinației de caracteristici, inclusiv consecvența, acțiunea directă și ireversibilitatea.

Dincolo de legătura fuzibilă înlocuibilă

Se presupune adesea că siguranțele termice sunt unități care pot fi înlocuite la fața locului atunci când sunt utilizate cu un suport de siguranțe sau un soclu adecvat. Acestea fiind spuse, posibilitatea de înlocuire la fața locului de către utilizator este adesea inutilă și poate fi de nedorit pentru multe produse. Acest lucru este valabil pentru produsele de putere redusă, cum ar fi telefoanele mobile, decodoarele, încărcătoarele de baterii mici, adaptoarele de perete c.a./c.c. și jucăriile; dispozitivele de nivel mediu, inclusiv uneltele electrice, controlerele industriale și generatoarele de consum; și chiar sistemele de putere mai mare, cum ar fi încărcătoarele de vehicule electrice (VE). Luați în considerare aceste scenarii:

• Este posibil să fie nevoie de siguranțe cu valori nominale diferite pentru a proteja diferite subcircuite ale unui circuit mai mare, inclusiv cele cu trasee de semnal sensibile, și nu întregul produs.
• Unitatea la care se aplică siguranța poate fi un produs mic, sigilat, cum ar fi un smartphone, caz în care siguranța este necesară în primul rând pentru a proteja bateria și circuitele de încărcare, și nu există nicio opțiune prin care utilizatorul final să poată accesa interiorul dispozitivului.
• Din punctul de vedere al siguranței, dacă nu se cunoaște motivul real pentru care s-a ars siguranța, cum ar fi un mecanic care a atins din greșeală o șină de alimentare și a conectat-o la șasiul mașinii, înlocuirea acesteia doar pentru că este ușor de făcut este, în cel mai bun caz, o pierdere de timp și, în cel mai rău caz, riscantă. De exemplu, în cazul în care o siguranță face parte dintr-un circuit de protecție pentru o baterie pe bază de litiu și pentru circuitul de încărcare al acesteia, aceasta este un element critic al acestei funcții. Prin urmare, este esențial să găsiți cauza principală a arderii siguranței, în loc să o înlocuiți orbește.
• Un suport de siguranțe și contactele acestuia completează problemele legate de fiabilitate din cauza coroziunii, vibrațiilor și altor factori ai mediului de funcționare.
• În cele din urmă, există problema dimensiunii: o siguranță care este lipită în poziție fără un suport va avea o amprentă mai mică și un profil mai mic pe placa de circuite imprimate.

Pentru a utiliza cu succes siguranțele minuscule, fără suporturi, precum SMD-urile și, astfel, pentru a utiliza echipamente standard de lipire și de populare a plăcilor, este necesar să căutați mai departe de siguranța tradițională cu legătura fuzibilă ca un fir, păstrând în același timp principiul de autoîncălzire care cauzează topirea și deschiderea traseului curentului.

Gama largă de siguranțe SMD răspunde provocărilor proiectărilor moderne

Prin utilizarea unor combinații de materiale, tehnologii, formule și tehnici de fabricație, Bourns a dezvoltat o familie de siguranțe SMD care poate asigura funcția siguranțelor termice într-o gamă amplă de curenți și tensiuni de operare. Portofoliul de siguranțe SMD SinglFuse de la Bourns utilizează șapte tehnologii diferite de construcție a siguranțelor fuzibile: pulverizare cu peliculă subțire, placă de circuite imprimate cu peliculă subțire, multistrat ceramic, laminat cu cavitate ceramică, miez de sârmă, tub ceramic și cub ceramic (Figura 2).

Figura 2: familia SinglFuse este alcătuită exclusiv din siguranțe SMD, dar implementarea numeroaselor combinații de curent și tensiune pe care le oferă necesită utilizarea a șapte tehnologii distincte pentru siguranțe. (Sursă imagine: Bourns)

Această varietate de tehnologii și abordări legate de construcție permite portofoliului variat SinglFuse să ofere siguranțe fuzibile cu o gamă largă de specificații pentru diferiți parametri cheie, cum ar fi curentul nominal, tensiunea nominală, capacitatea de întrerupere, I²t și temperatura de funcționare. În plus, produsele SinglFuse sunt conforme cu UL, TUV și VDE și cu standardele UL 248 și IEC 60127, ceea ce ușurează procesul general de certificare a produselor. Pentru aplicațiile auto în care sunt necesare specificații complete și o funcționare fiabilă la o gamă amplă de temperaturi, una dintre numeroasele mandate auto, sau pentru alte medii de funcționare dure, sunt disponibile siguranțe fuzibile conforme cu AEC-Q200.

Dimensiunea mică SMD nu limitează capacitățile

Există situații în care necesitatea de utilizare a componentelor mai mici, în special în pachete SMD, impune limite asupra caracteristicilor sau capacităților acestora. Acesta nu este cazul dispozitivelor SinglFuse, care sunt disponibile în pachete de dimensiuni de la aproape invizibilul 0402 (0,040 inch × 0,020 inch; 1,0 × 0,5 milimetri (mm)) la intervale de curent mai mici, la 3812 (0,150 inch × 0,100 inch; 3,81 × 2,54 mm) pentru siguranțele de capacitate mai mare, o dimensiune încă redusă.

De-a lungul anilor, vânzătorii de siguranțe au dezvoltat versiuni specializate ale dispozitivelor cu legături fuzibile, cu atribute unice pentru a îndeplini cerințele circuitelor. Recunoscând această situație, dispozitivele SinglFuse sunt disponibile cu diferite caracteristici de răspuns, inclusiv:

• Acționare rapidă
• Precizie cu acționare rapidă: cu o toleranță mai mare la specificațiile cheie
• Ardere lentă: pentru gestionarea unui supracurent temporar care depășește curentul nominal al siguranței
• Întârziere: permite supratensiunea electrică pentru o perioadă scurtă de timp înainte de arderea efectivă
• Curent de anclanșare ridicat: pentru curenți de pornire excesivi

Rețineți că specificul profilurilor curent-versus-timp pentru aceste „personalități” diferite ale siguranțelor fuzibile este definit în fișele lor tehnice respective și trebuie studiat de către proiectant pentru a obține cea mai bună potrivire cu aplicația.

Valorile nominale extreme actuale arată gama de performanță

Proiectanții pot utiliza siguranțe SMD într-o gamă amplă de valori nominale de curent. De exemplu, siguranța SMD de precizie cu acționare rapidă SF-2410FP0062T-2 este găzduită într-un tub ceramic cu o amprentă EIA 2410 (6125 metric) și măsoară aproximativ 6 mm lungime și 2,1 × 2,6 mm la capătul dreptunghiular (Figura 3).

Figura 3: Bourns SF-2410FP0062T-2 este o siguranță SMD de precizie cu acționare rapidă într-un pachet dreptunghiular. (Sursă imagine: Bourns)

Această siguranță este specificată pentru funcționarea la 125 de volți c.a./c.c. și are o valoare nominală de 62 miliamperi (mA), împreună cu o valoare nominală tipică I²t de 0,0012 A²s. În timp ce specificația sumară de nivel superior prevede că se deschide în cinci secunde la 200% din curentul nominal, utilizatorii vor dori probabil să studieze graficele de performanță care cuantifică timpul prealabil formării arcului electric (Figura 4) și valoarea I²t (Figura 5), indicatori cheie ai timpului de răspuns al siguranței. Proiectanții ar trebui să fie conștienți de reducerea tensiunii IR prin siguranță atunci când funcționează în limitele curentului său nominal, ca urmare a rezistenței sale de aproximativ 6 Ohmi (Ω); această reducere este de maxim sub 40 de milivolți (mV).

Figura 4: fișa tehnică a SF-2410FP0062T-2 include detalii privind timpul prealabil formării arcului electric al siguranței de la un curent foarte scăzut până la valoarea maximă nominală, un parametru care definește profilul de răspuns al siguranței în raport cu curentul. (Sursă imagine: Bourns)

Figura 5: fișa tehnică a siguranței SF-2410FP0062T-2 prezintă, de asemenea, profilul critic I²t pentru energia termică acumulată la diferite niveluri de curent. (Sursă imagine: Bourns)

O gamă și un profil de performanță foarte diferite sunt oferite de siguranța cu ardere lentă SF-1206S700 (Figura 6), un dispozitiv de 7 A specificat să se deschidă în cinci secunde la 250% din curentul său nominal maxim.

Figura 6: utilizarea siguranței cu ardere lentă SF-1206S700 cu montare pe suprafață din seria SF-1206S de la Bourns implică un dispozitiv de 7 A care este specificat să se deschidă în cinci secunde la 250% din curentul său nominal maxim (Sursă imagine: Bourns)

SF-1206S700 utilizează un pachet și o tehnologie diferite de SF-2410FP-T și este disponibilă într-un pachet plat 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) care măsoară doar 0,6 mm înălțime datorită construcției sale cu peliculă subțire (Figura 7). Rezistența sa de numai 7 miliohmi (mΩ) asigură o reducere IR scăzută, de puțin sub 50 mV la curent maxim.

Figura 7: această vedere în secțiune a siguranței SMD cu ardere lentă SF-1206S700 prezintă o imagine a materialelor și tehnologiei sofisticate care formează dispozitivul. (Sursă imagine: Bourns)

În timp ce fișa tehnică a acestei siguranțe are grafice similare cu cele pentru siguranța SF-2410FP-T de 62 mA, ca siguranță cu ardere lentă, aceasta are nevoie și de o curbă „de decelerare I²T vs. curentul de anclanșare al repetorului” care definește în continuare performanța siguranței cu ardere lentă în cazul funcționării repetate a circuitului cu pornire/oprire completă (Figura 8).

Figura 8: siguranțele cu ardere lentă sunt adesea supuse unor cicluri repetate de curent de anclanșare ridicat, astfel că fișa tehnică SF-1206S700 clarifică efectul acestor cicluri asupra comportamentului siguranțelor. (Sursă imagine: Bourns)

Este util pentru proiectanți să evalueze în mod direct diferite siguranțe fuzibile în ceea ce privește tipul, valorile nominale și dimensiunea acestora, dar acest lucru prezintă o provocare. Spre deosebire de componentele active (de exemplu, amplificatoarele operaționale) sau pasive (rezistențe, indicatoare, condensatoare), o siguranță este un dispozitiv de unică folosință și poate fi testat pe deplin doar prin împingerea acesteia spre auto-distrugere. În consecință, este util să aveți la îndemână mai multe valori și tipuri de siguranțe fuzibile diferite pentru evaluare.

Pentru a facilita acest proces, Bourns oferă kitul SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab pentru testarea rapidă a prototipurilor (Figura 9). Acesta conține câte cinci din 18 siguranțe fuzibile cu acționare lentă (în total 90 de bucăți) în pachete de dimensiuni 0402, 0603 și 1206 ((1608 până la 3216 metric); kitul similar SF-FP-LAB1 are 160 de bucăți de siguranțe de precizie cu acționare rapidă (câte cinci din 32 de valori) în pachete de la 0402 până la 1206 (1005 până la 3216 metric).

Figura 9: deoarece testarea conduce adesea la autodistrugerea siguranțelor, kiturile de proiectare, cum ar fi acest kit SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab pentru siguranțe cu ardere lentă, ușurează sarcina proiectantului de evaluare a dimensiunii, montării, problemelor termice, performanței și a altor aspecte. (Sursă imagine: Bourns)

Concluzie

În ciuda simplității lor conceptuale, siguranțele termice sunt componente electrice și mecanice pasive și sofisticate, bazate pe considerente termice, materiale și de fabricație avansate. Pe măsură ce circuitele și produsele se micșorează, ceea ce face ca înlocuirea unei siguranțe de către utilizator să fie din ce în ce mai nepractică, nechibzuită sau chiar periculoasă, devine evidentă nevoia de siguranțe cu dispozitiv de montare pe suprafață (SMD), care sunt manipulate la fel ca orice alt dispozitiv SMD. În plus, siguranțele SMD simplifică procesul de asamblare și de fabricație și reduc susceptibilitatea unui proiect la vibrații și coroziune.

După cum s-a arătat, seria Bourns SinglFuse de siguranțe SMD oferă proiectanților o gamă amplă de intervale și tipuri de protecție la supracurent pentru a îndeplini cerințele produselor de astăzi și ale proceselor de fabricare a plăcilor de circuite imprimate.

Studiu suplimentar:

1. Tutorial pentru siguranțe SMD SinglFuse
2. Siguranțe SMD Bourns SinglFuse SMD
3. Kituri de proiectare a siguranțelor SMD de precizie cu acționare rapidă și cu întârziere Bourns SinglFuse

Referință

1. A 8-a conferință internațională IEEE 2007 pentru siguranțe electrice și aplicațiile acestora, „La originile siguranțelor”