SMD biztosítékok használata a jobb elrendezés, a termékméret csökkentése és a robusztusság növelése érdekében

A hőre olvadó biztosíték a legrégebbi áramkörvédelmi eszköz, és még mindig széles körben használják. Jól ismert, megbízható, tartós és a szabályozási szabványok által jóváhagyott. Mivel azonban a végtermékek egyre összetettebbek és kisebbek, a tervezőknek a felhasználó által cserélhető biztosítékok és biztosítéktartók helyett alternatív megoldásokra van szükségük a méretek csökkentése, az összeszerelés egyszerűsítése, a robusztusság javítása és a biztonság további növelése érdekében.

A megoldás az, hogy a tervezők bátran használhatnak felületszerelt (SMD) eszközöket bármilyen teljesítménybeli kompromisszum nélkül. Az SMD biztosítékok működése különféle technológiákra épül, hogy a biztosítékokra jellemző összes szükséges tulajdonság (például a gyors vagy lomha kioldás) egy termikus alapú megoldás keretein belül megmaradjon.

Ez a cikk rövid áttekintést nyújt a biztosítékokról, az áramkörvédelemről és a tervezési megfontolásokról. Ezután bemutatja és ismerteti a Bourns SMD biztosítékait, beleértve azok elsődleges jellemzőit és alkalmazásuk módját.

A hagyományos elven működő biztosítékok még mindig itt vannak, és velünk is maradnak

A hagyományos, hőre aktiválódó olvadóbetétes biztosíték körülbelül 150 éves, és a legismertebb, legközvetlenebb áramköri védelmi eszköz. Megbízható, és működése egyszerűen megérthető. Egyetlen funkciója a túláram elleni védelem biztosítása, és e tekintetben következetesen végzi feladatát. Teszi ezt úgy, hogy amikor az áramerősség szintje meghaladja a biztosíték kialakításával meghatározott értéket, határozottan és visszavonhatatlanul megszakítja az áramkört és az áram folyását.

A hagyományos biztosítékot az ábrázolási szabványtól függően különböző szimbólumokkal ábrázolják, és az egy pontosan megtervezett kialakítású, méretű és anyagú fémhuzalból áll (1. ábra). Ha az ezen az olvadó kötésen áthaladó áram elegendő ideig meghalad egy előre beállított határértéket, a kötés önmelegedés következtében megolvad. Ez az önmelegedés az I²R törvényen alapuló teljesítményveszteség közvetlen következménye, amely a kötésnek az áram folyását gátló saját ellenállása miatt következik be.

1. ábra: A biztosítékot az ábrázolási szabványtól függően többféle áramköri jellel ábrázolják. (Kép: ClipArtKey.com)

A biztosítékok számos tokozásban kaphatók, mint például a jól ismert 3AG típusú kis üvegbetét, amelynek átmérője 6,35 mm és hossza 31.75 mm. A gyártók minden egyes biztosítékhoz és áramerősséghez részletes jelleggörbéket mellékelnek, amelyekről leolvasható az összefüggés a túláram valamint a biztosíték betétjének megolvadásához és ezáltal a biztosítékon keresztül átfolyó áram megszakadásához szükséges idő között. Ezt I²t jelleggörbének nevezik, amely az egységnyi ellenállásra jutó hőenergiát mutatja a független áram függvényében. Mértékegysége az A²s.

A biztosíték nem az egyetlen, a tervezők által használt áramköri védőeszköz. Vannak más passzív elemek is, amelyek más módokon nyújtanak védelmet a túláramok vagy feszültséghullámok korlátozásával, blokkolásával, áthidalásával vagy leföldelésével. Ezek közül azonban egyikre sem jellemző az, amit a biztosítékok nyújtanak, vagyis, hogy egyértelműen és visszafordíthatatlanul megszakítják az áramutat. A biztosíték által ellátott funkciót nem helyettesítik, de használhatók akkor, ha a biztosíték nem a megfelelő védelmi lehetőség, vagy kiegészíthetik a biztosíték működését, ahol annak műszaki szempontból értelme van. További jól ismert áramkörvédelmi eszközök közé tartoznak a következők:

• fém-oxid varisztorok (MOV-k);
• pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok;
• tranziensfeszültség-elnyomó (TVS) diódák;
• gázkisüléses csövek (GDT-k);
• polimer alapú PTC regenerálódó biztosítékok.

A biztosítékokhoz hasonlóan mindegyiknek megvan a saját szerepe az áramkörök védelmében, de az olvadószálra épülő alapvető áramkör-megszakító a rá jellemző tulajdonságok kombinációja miatt – beleértve a következetességet, a közvetlen működést és a visszafordíthatatlanságot – számos kialakításba megtartja szerepét és funkcióját.

Élet a cserélhető olvadóbiztosítékokon túl

Az olvadóbiztosítékokról gyakran feltételezik, hogy helyben cserélni lehet őket, ha megfelelő biztosítéktartóba vagy foglalatba vannak elhelyezve. Ennek ellenére gyakran nem szükséges biztosítani a felhasználók számára a terepi cserék lehetőségét, és sok termék esetében ez nem is kívánatos. Az alacsonyabb áramfogyasztású termékek esetében ez érvényes például a mobiltelefonokra, set-top boxokra, kisebb akkumulátortöltőkre, AC/DC fali hálózati adapterekre és játékokra, valamint a középkategóriás eszközök esetében például az elektromos szerszámokra, az ipari vezérlőkre és az otthoni generátorokra, de akár a nagyobb teljesítményű rendszerek, például az elektromos járművek (EV) töltőire is. Vegyük például az alábbi esteket:

• Nem a teljes termék védelmére van szükség, hanem különböző teljesítményű biztosítékokra egy nagyobb áramkör különböző aláramköreinek védelméhez, beleértve az érzékeny jelútvonalakat is.
• Előfordulhat, hogy a biztosítékkal védett eszköz egy kisméretű, zárt termék (például egy okostelefon), ahol a biztosítékra elsősorban az akkumulátor és a töltőáramkör védelme érdekében van szükség, és a végfelhasználó számára a belsejéhez való hozzáférési lehetőség nem biztosított.
• Például ha egy szerelő véletlenül hozzáért egy tápsínhez és összekapcsolta azt az autó alvázával, akkor biztonsági szempontból nézve, hacsak nem ismert a kiégett biztosíték tényleges oka, a biztosíték cseréje – csak azért, mert ez könnyen elvégezhető – a legjobb esetben is időpocsékolás, a legrosszabb esetben pedig veszélyes. Ha például egy biztosíték egy lítium-alapú akkumulátor és töltőáramkörének védelmi eleme, akkor az annak a funkciónak egy kritikus eleme. Ezért fontos megtalálni mi miatt „égett ki” a biztosíték, ahelyett, hogy azt csak úgy vakon kicserélnénk.
• A biztosítéktartó és annak érintkezői növelik a megbízhatatlanságot a korrózió, a rezgések és más üzemi környezeti tényezők miatt.
• Végezetül, szót kell ejteni a méretről: egy tartó nélkül beforrasztott biztosítéknak kevesebb helyre van szüksége a nyomtatott áramköri lapon, és alacsonyabb profillal is rendelkezik.

Az apró, tartó nélküli, SMD kialakítású biztosítékok alkalmazásához, hogy a szabványos lapkészletek és forrasztóberendezések is használhatók legyenek, túl kell lépni az olvadószál alapú hagyományos biztosítékok elvén, ugyanakkor meg kell tartani az önmelegedésre épülő működést, amire a megolvadás és az áramút megszakítása épül.

Széles választék van SMD biztosítékokból, amelyek megfelelnek a modern tervezés kihívásainak

Az anyagok, technológiák, keverék-összetételek és gyártási technikák kombinálásával a Bourns kifejlesztett egy olyan SMD biztosítékcsaládot, amely széles áram- és üzemi feszültségtartományban képes biztosítani a hőalapú biztosítékfunkciót. A Bourns SinglFuse SMD biztosítékainak termékportfóliója hét különböző biztosítékszerkezeti technológiára épül: vékonyrétegű porlasztás, vékonyrétegű NYÁK, többrétegű kerámia, kerámia üregű laminált, vezetékmag, kerámia cső és kerámia kocka (2. ábra).

2. ábra: A SinglFuse család kizárólag SMD biztosítékokból áll, de a gyártó hét különböző biztosítékgyártási technológiát alkalmaz számos áram- és feszültségkombináció megvalósításához. (Kép: Bourns)

A technológiák és szerkezeti felépítések sokrétűségének köszönhetően a SinglFuse portfóliója változatos lehetőségeket kínál a legfontosabb paraméterek, például a névleges áram, a névleges feszültség, a megszakítóképesség, az I²t és az üzemi hőmérséklet tekintetében. Ezen túlmenően a SinglFuse termékek megfelelnek az UL, TUV és VDE, valamint az UL 248 és IEC 60127 szabványoknak, ami megkönnyíti a terméktanúsításhoz vezető út egészét. Az olyan autóipari alkalmazásokhoz, ahol széles hőmérséklettartományon belül kell biztosítani minden specifikált műszaki jellemzőt és a megbízható működést (ami csupán egyike a számos autóipari követelménynek), illetve más zord üzemi környezetekhez rendelkezésre állnak az AEC-Q200 szabványnak megfelelő biztosítékok is.

Kicsi az SMD, de erős

Vannak olyan helyzetek, amikor a kisebb alkatrészek iránti igény miatt azok jellemzői vagy képességei csorbulnak, és ez az SMD tokozású elemekre különösen igaz. Nem ez a helyzet viszont a SinglFuse eszközökkel, amelyek az alacsonyabb áramtartományokban a szinte láthatatlan 0402-es (0,040 hüvelyk × 0,020 hüvelyk; 1,0 × 0,5 mm) mérettől kezdve a nagyobb teljesítményű 3812-es (0,150 hüvelyk × 0,100 hüvelyk; 3,81 × 2,54 mm) méretekig még mindig apróknak számítanak.

Az évek során a biztosítékgyártók az áramkörök igényeihez igazodva egyedi tulajdonságokkal rendelkező speciális olvadószálas eszközöket fejlesztetek ki. Ezt a helyzetet felismerve a SinglFuse biztosítékai különböző jelleggörbés változatokban kaphatók, többek között:

• gyors működésű;
• gyors működésű precíziós; szigorúbb tűréshatárral a kulcsfontosságú paramétereket illetően;
• lomha; hogy a biztosíték kezelni tudja a névleges áramát meghaladó átmeneti túlfeszültségeket;
• késleltetett; rövid ideig engedélyezi az elektromos túlfeszültséget, mielőtt ténylegesen megolvadna;
• magas indítóáramú; túl nagy bekapcsolási túláramokhoz.

Figyelembe kell venni, hogy az eltérő „személyiségű” biztosítékok áram-idő jelleggörbéinek sajátosságai megtalálhatók az adatlapjaikon, és a tervezőnek át kell tanulmányoznia azokat, hogy megtalálja a legjobbat az adott alkalmazáshoz.

Névleges áramerősségek széles tartományban

A tervezők számára széles névleges áramerősség-tartományban rendelkezésre állnak SMD biztosítékok. Az SF-2410FP0062T-2 gyors működésű precíziós SMD biztosíték például egy EIA 2410 (metrikusan 6125) szabványú kerámiacsőben van elhelyezve, és körülbelül 6 mm hosszú és 2,1 × 2,6 mm méretű a téglalap végein (3. ábra).

3. ábra: A Bourns SF-2410FP0062T-2 egy gyors működésű precíziós SMD biztosíték téglalap alakú tokozásban. (Kép: Bourns)

Ez a biztosíték 125 V AC/DC feszültségre van specifikálva, névleges áramerőssége 62 mA, jellemzően 0,0012 A²s I²t névleges értékkel. Bár a legfelső szintű összegzett specifikáció szerint a névleges áram 200%-ánál öt másodpercen belül kiolvad, a felhasználóknak javasolt áttanulmányozni a kiolvadási időt (4. ábra) és az I²t értéket (5. ábra) számszerűsítő jelleggörbéket, amely paraméterek a biztosíték reagálási idejének kulcsfontosságú mutatói. A tervezőknek tisztában kell lenniük, hogy ha a biztosíték a névleges áramerősségének határain belül működik, a 6 Ω ellenállása miatt legfeljebb 40 mV-nyi IR feszültségesés lép fel a biztosítékon.

4. ábra: Az SF-2410FP0062T-2 adatlapján részletesen látható a biztosíték kiovadási ideje, a nagyon alacsony áramtól a névleges maximumig, amely paraméter meghatározza a biztosíték válaszidejét az áramerősségtől függően. (Kép: Bourns)

5. ábra: Az SF-2410FP0062T-2 adatlapján megtalálhatók az áram hőhatására vonatkozó kritikus I²t jelleggörbék is különböző áramerősségeken. (Kép: Bourns)

Egészen más műküdési tartományt és profilt kínál a 7 A-es lomha SF-1206S700 biztosíték (6. ábra), amely a gyártó szerint öt másodpercen belül kiolvad a maximális névleges áram 250%-ánál.

6. ábra: A Bourns SF-1206S700 lomha felületszerelt SF-1206S sorozathoz tartozó eleme egy 7 A-es biztosíték, amely a maximális névleges áram 250%-a esetén öt másodpercen belül kiolvad (kép: Bourns)

Az SF-1206S700 tokozása és gyártástechnológiája eltér az SF-2410FP-T-től, és vékonyrétegű felépítésének köszönhetően egy 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) méretű lapos, mindössze 0,6 mm magas tokban érkezik (7. ábra). Mindössze 7 mΩ ellenállásának köszönhetően a fellépő IR feszültségesés a maximális áram mellett is alacsony, 50 mV alatti.

7. ábra: Az SF-1206S700 lomha SMD-biztosíték metszetrajza kis ízelítőt ad abból, hogy az eszköz gyártásához milyen kifinomult anyagokra és technológiára van szükség. (Kép: Bourns)

Bár ennek a biztosítéknak az adatlapján a 62 mA-es SF-2410FP-T biztosítékhoz hasonló jelleggörbék találhatók, lomha biztosítékként szükség van egy „I²t teljesítménycsökkenés az ismétlődő túláram függvényében” jelleggörbére is, amely tovább megadja a lomha biztosíték működését ismételt teljes áramú be-ki kapcsolás esetén (8. ábra).

8. ábra: A lomha biztosítékok gyakran ismétlődő, magas be-ki kapcsolási túláram ciklusoknak vannak kitéve, ezért az SF-1206S700 adatlap tisztázza ezeknek a ciklusoknak a biztosíték működésére gyakorolt hatását. (Kép: Bourns)

A tervezők számára hasznos ha saját kezűleg ki tudják értékelni a különböző típusú biztosítékok jellemzőit, azok működése, névleges értékeik és méreteik tekintetében, de ez viszont kihívásokkal jár. Az aktív (például műveleti erősítők) vagy a passzív (ellenállások, visszajelzők, kondenzátorok) alkatrészekkel ellentétben a biztosítékok egyszer használatos eszközök, és teljes mértékben csak úgy tesztelhetők, ha gyakorlatilag önmegsemmisülésre kényszerítjük őket. Hasznos ezért, ha a kiértékelés során rendelkezésre áll több darab egyforma, különböző értékű és típusú biztosíték is.

Ennek megkönnyítésére a Bourns kínálatában megtalálható az SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab készlet a gyors prototípus-teszteléshez (9. ábra). A készlet 0402, 0603 és 1206 (metrikusan 1608-tól 3216-ig) méretekben egyenként öt darabot tartalmaz mindegyik 18 lomha biztosítékból (összesen 90 darabot). A hasonló SF-FP-LAB1 készlet 160 darab gyors működésű precíziós biztosítékot tartalmaz (öt-öt darabot 32 értékből) 0402-től 1206-ig (metrikusan 1005-től 3216 metrikus) tokozásokban.

9. ábra: Mivel a teszteléshez gyakran a biztosítékok önmegsemmisítésére van szükség, az olyan tervezési készletek, mint ez a lomha biztosítékokat tartalmazó SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab készlet megkönnyítik a tervezők feladatát a méretek, a szerelés, a termikus problémák, a működési jellemzők és egyéb paraméterek kiértékelésében. (Kép: Bourns)

Összegzés

Annak ellenére, hogy elvi szempontból igen egyszerűek, az olvadóbiztosítékok kifinomult passzív elektromos és mechanikai alkatrészek, amelyeket a korszerű termikus, anyagtulajdonsági és gyártási megfontolások figyelembevételével alakítanak ki. Mivel az áramkörök és a termékek méretei egyre csökkennek, és így a biztosítékoknak a felhasználók által végzett cseréje egyre kevésbé praktikus, nem ésszerű sőt akár veszélyes is lehet, nyilvánvalóvá válik, hogy felületszerelt (SMD) biztosítékokra van szükség, amelyekkel ugyanúgy kell bánni, mint bármely más SMD-eszközzel. Ezenkívül az SMD biztosítékok egyszerűsítik az összeszerelési és gyártási folyamatot, és csökkentik a konstrukciók rezgés- és korrózióérzékenységét.

Mint bemutattuk, a Bourns SinglFuse SMD biztosítéksorozata széles választékot kínál a tervezők számára a túláramvédelmi tartományok és típusok tekintetében a mai termékek és nyomtatott áramköri lapok gyártási folyamatainak való megfelelés érdekében.

További olvasnivaló:

1. A SinglFuse SMD biztosítékok bemutatása
2. Bourns SinglFuse SMD biztosítékok
3. Bourns gyors működésű precíziós és késleltetett SinglFuse SMD biztosítékokat tartalmazó tervező készletek

Felhasznált forrásanyag

1. IEEE 2007 8th International Conference on Electric Fuses and their Applications, „To the origins of fuses” (A biztosítékok gyökerei)