Pojistky SMD usnadňují uspořádání, zmenšují rozměry produktů a zvyšují jejich robustnost

Stále široce využívaná tepelně aktivovaná pojistka je nejstarším ochranným zařízením obvodů. Jde o široce známou, spolehlivou, konzistentní a regulačními normami schválenou součástku. Avšak vzhledem ke složitosti a zmenšování rozměrů koncových produktů potřebují konstruktéři alternativu k uživatelem vyměnitelné pojistce a držáku pojistky, aby se snížil tvarový faktor, zjednodušila montáž, zlepšila robustnost a také zvýšila bezpečnost.

Namísto toho mohou konstruktéři používat součástky pro povrchovou montáž (SMD) bez omezení výkonu. Pojistky SMD využívají různé technologie k zajištění tepelného tavení spolu s celou řadou nezbytných charakteristik pojistek, jako je rychlá a pomalá pojistka.

Tento článek poskytne stručný úvod do problematiky jištění, ochrany obvodů a konstrukčních kritérií. Poté představí a popíše SMD pojistky od společnosti Bourns, včetně jejich primárních charakteristik a způsobu využití.

Základní pojistka má výdrž

Tradiční pojistka s tepelně aktivovaným tavným vláknem, asi 150 let stará, je nejznámějším a nejpřímějším typem ochranného zařízení obvodů. Jde spolehlivý a snadno srozumitelný prvek s konzistentní výkonností v jeho jediné funkci, kterou je ochrana před výskyty nadproudů. Tuto funkci plní přímým a nevratným rozpojením obvodové cesty a přerušením toku proudu, jakmile jeho úroveň překročí hodnotu určenou konstrukcí pojistky.

Tradiční pojistka, kterou podle grafického standardu znázorňují různé schematické symboly, se skládá z kovového drátu, který je přesně navržen po stránce designu, rozměrů a materiálu (obrázek 1). Jakmile proud procházející tímto tavným článkem překročí přednastavený limit po dostatečně dlouhou dobu, článek se vlivem vlastního ohřevu roztaví. Tento vlastní ohřev je přímým důsledkem ohmických výkonových ztrát I²R v důsledku průtoku proudu přes odpor článku.

Obrázek 1: Pojistka je reprezentována jedním z několika schematických symbolů podle toho, který standard se používá. (Zdroj obrázku: ClipArtKey.com)

Pojistky jsou k dispozici v mnoha typech pouzder, například ve známé, malé skleněné kazetě v provedení 3AG, která měří ¼ palce v průměru a 1¼ palce na délku. Pro každou pojistku a jmenovitý proud poskytnou prodejci podrobné grafy ukazující vztah mezi hodnotou nadproudu a akumulovanou dobou potřebnou k roztavení tavného článku, a tím zastavení průtoku proudu pojistkou. To se označuje jako klasifikace I²t udávající dostupnou tepelnou energii určenou velikostí proudu, která se uvádí v jednotkách ampéry²-sekundy (A²s).

Pojistka není jediným ochranným zařízením obvodu, které používají konstruktéři. Existují i další pasivní zařízení, která poskytují jiné formy ochrany omezením, blokováním, překlenutím nebo „páčením“ nadměrných rázů či nebo napětí. Žádné z nich však nenabízí přímé a nevratné přerušení proudu tak, jako pojistka. Nenahrazují funkci pojistky, ale mohou být použity tam, kde pojistka není vhodnou možností ochrany, nebo k doplnění činnosti pojistky, pokud to dává technický smysl. Mezi další známá ochranná zařízení obvodů patří:

• Varistor na bázi oxidu kovu (MOV)
• Termistor s kladným teplotním koeficientem (PTC)
• Dioda transil (TVS)
• Plynová trubice (GDT)
• Polymerová PTC odblokovatelná pojistka

Stejně jako pojistky má i každý z těchto prvků svou úlohu při zajišťování ochrany obvodu, přesto si základní pojistka s tavným článkem zachovává svoji roli a funkci v mnoha provedeních díky kombinaci charakteristik včetně konzistence, přímého působení a nevratnosti.

Odklon od výměnného tavného článku

Tepelné pojistky se často považují za jednotky vyměnitelné v terénu, pokud jsou spárovány s vhodným držákem pojistky nebo zásuvkou. To znamená, umožnění výměny v terénu uživatelem je často zbytečné a může být pro mnoho produktů nežádoucí. To platí pro výrobky s nižší spotřebou energie, jako jsou mobilní telefony, set-top boxy, malé nabíječky baterií, síťové adaptéry AC / DC a hračky; zařízení střední třídy včetně elektrického nářadí, průmyslových ovladačů a spotřebních generátorů; a systémy s ještě vyšším výkonem, jako jsou nabíječky elektrických vozidel (EV). Zvažte tyto scénáře:

• Namísto ochrany celého produktu může být vyžadována ochrana různých dílčích obvodů většího obvodu, včetně těch s citlivými signálovými cestami, pomocí pojistek s různými jmenovitými hodnotami.
• Chráněnou jednotkou může být miniaturní, zapouzdřený výrobek, například chytrý telefon, kde je pojistka nezbytná především k ochraně baterie a nabíjecích obvodů a není zde možnost přístupu koncového uživatele dovnitř.
• Z bezpečnostního hlediska, pokud není známý skutečný důvod přepálené pojistky, například mechanik, který se nechtěně dotkl napájecí lišty a připojil ji k podvozku automobilu, je výměna pojistky jen proto, že jde o snadný úkon, v nejlepším případě ztráta času a horším případě také riziko. Například pokud je pojistka součástí ochranného obvodu pro lithiovou baterii a jejího nabíjecího obvodu, je kritickým prvkem této funkce. Proto je zásadní najít hlavní příčinu „přepálení“ pojistky, spíše než ji slepě vyměnit.
• Držák pojistky a jeho kontakty zvyšují obavy o spolehlivost kvůli korozi, vibracím a dalším faktorům provozního prostředí.
• Konečně je tu i problém s velikostí: pojistka, která na určeném místě připájená bez držáku, bude mít na počítačové desce menší půdorys a nižší profil.

Chcete-li implementovat miniaturní pojistky bez držáku, jakými jsou SMD součástky, a tedy používat standardní vybavení na osazování a pájení desek, je třeba přejít mimo rámec tradičních pojistek s drátěným tavným článkem, ale současně zachovat princip samozahřívání, který přetavuje a tedy rozpojuje proudovou cestu.

Široká řada pojistek SMD splňuje výzvy moderního designu

Použitím kombinací materiálů, technologií, receptur a výrobních technik vyvinula společnost Bourns skupinu pojistek SMD, které mohou poskytovat tepelnou funkci pojistek v širokém rozsahu proudů a provozních napětí. Produktové portfolio SMD pojistek SinglFuse od společnosti Bourns využívá sedm různých technologií konstrukce pojistek: tenkofilmové naprašování, tenkofilmová deska plošných spojů, více keramických vrstev, laminát s keramickou dutinou, drátěné jádro, keramická trubice a keramická kostka (obrázek 2).

Obrázek 2: Skupina SinglFuse se skládá pouze z pojistek SMD, ale implementace mnoha kombinací proudu a napětí, které nabízí, vyžaduje použití sedmi odlišných technologií pojistek. (Zdroj obrázku: Bourns)

Tato rozmanitost technologií a konstrukčních koncepcí umožňuje širokému portfoliu SinglFuse nabízet pojistky se širokou škálou specifikací napříč klíčovými parametry, jakými jsou jmenovitý proud, jmenovité napětí, vypínací schopnost, I²t a provozní teplota. Produkty SinglFuse jsou navíc kompatibilní s normami UL, TUV a VDE a ve shodě s normami UL 248 a IEC 60127, což usnadňuje celkovou certifikaci produktů. Pro automobilové aplikace, kde jsou jako jeden z mnoha klíčových bodů vyžadovány kompletní specifikace a spolehlivý provoz v širokém rozsahu teplot, nebo pro jiná náročná provozní prostředí, jsou k dispozici pojistky vyhovující normě AEC-Q200.

Malá velikost SMD neomezuje možnosti

Existují situace, kdy nutnost menších součástek, zejména v pouzdrech SMD, omezuje jejich funkce nebo schopnosti. To ale není případ součástek SinglFuse, které jsou k dispozici ve velikostech pouzder od téměř neviditelného 0402 (0,040 palce × 0,020 palce; 1,0 × 0,5 milimetru (mm)) pro nižší proudové rozsahy do 3812 (0,150 palce × 0,100 palce; 3,81 × 2,54 mm) pro pojistky s vyšší kapacitou, což je stále velmi malá velikost.

V průběhu let vyvinuli prodejci pojistek specializované verze součástek s tavným článkem jedinečných atributů, aby vyhovovaly potřebám obvodů. Vzhledem k této situaci jsou součástky řady SinglFuse k dispozici s různými charakteristikami odezvy, včetně následujících parametrů:

• Rychlé působení
• Přesnost rychlého působení: s přísnější tolerancí klíčových specifikací
• Pomalá reakce: pro ovládnutí přechodného rázového proudu, který překračuje jmenovitý proud pojistky
• Časové zpoždění: umožňuje krátkodobou elektrickou rázovou vlnu, než skutečně dojde k vypnutí
• Vysoký spouštěcí proud: pro nadměrné záběrové proudy

Všimněte si, že specifické vlastnosti profilů závislosti proudu na čase pro tyto různé „charaktery“ pojistek jsou definovány v jejich příslušných datových listech, které by si měl prostudovat konstruktér, aby získal co nejvhodnější součástku pro daný projekt.

Krajní meze jmenovitého proudu odpovídají rozsahu výkonností

Konstruktéři mohou používat pojistky SMD v širokém rozsahu hodnot jmenovitého proudu. Například rychle působící přesná SMD pojistka SF-2410FP0062T-2 je umístěna v keramické trubici s půdorysem EIA 2410 (6125 v metrickém přepočtu) a měří přibližně 6 mm na délku a 2,1 × 2,6 mm na obdélníkovém konci (obrázek 3).

Obrázek 3: Bourns SF-2410FP0062T-2 je rychle působící přesná SMD pojistka v obdélníkovém pouzdru. (Zdroj obrázku: Bourns)

Tato pojistka je specifikována pro provoz 125 V AC/DC a má jmenovitou hodnotu 62 miliampérů (mA) společně s typickou charakteristikou I²t rovnou 0,0012 A²s. Zatímco souhrnná specifikace nejvyšší úrovně uvádí, že pojistka vypíná do pěti sekund při 200 % jmenovitého proudu, uživatelé budou pravděpodobně chtít prostudovat také její výkonnostní grafy, které kvantifikují čas před vznikem oblouku (obrázek 4) a charakteristiku I²t (obrázek 5), klíčové ukazatele doby odezvy pojistky. Konstruktéři by si měli být vědomi úbytku napětí I*R na pojistce vlivem jejího odporu kolem 6 ohmů (Ω), pokud pracuje v mezích svého jmenovitého proudu; tento úbytek je maximálně pod 40 milivoltů (mV).

Obrázek 4: Datový list modelu SF-2410FP0062T-2 obsahuje podrobné údaje o čase před vznikem oblouku pojistky od velmi malého proudu až po jeho nominální maximum, což je parametr, který definuje profil odezvy pojistky v závislosti na proudu. (Zdroj obrázku: Bourns)

Obrázek 5: Datový list SF-2410FP0062T-2 také ukazuje kritický profil I²t akumulované tepelné energie při různých úrovních proudu. (Zdroj obrázku: Bourns)

Velmi odlišný rozsah a výkonnostní profil nabízí pomalá pojistka SF-1206S700 (obrázek 6), 7A součástka určená k rozpojení do pěti sekund při 250 % svého maximálního jmenovitého proudu.

Obrázek 6: Pomalá pojistka SF-1206S700 s povrchovou montáží řady Bourns SF-1206S je 7A součástka navržená na rozpojení do pěti sekund při 250 % maximálního jmenovitého proudu (Zdroj obrázku: Bourns)

Pojistka SF-1206S700 používá jiné pouzdro a technologii než SF-2410FP-T a je dodávána v plochém balení 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) o výšce pouhých 0,6 mm díky tenkofilmovému provedení (obrázek 7). Její odpor pouhých 7 miliohmů (mΩ) zajišťuje nízký úbytek napětí I*R těsně pod 50 mV při maximálním proudu.

Obrázek 7: Tento řez pomalou pojistkou SMD SF-1206S700 umožňuje nahlédnout do sofistikovaných materiálů a technologií, které jsou součástí výroby těchto součástek. (Zdroj obrázku: Bourns)

Zatímco datový list pro tuto pojistku má grafy podobné grafům pro pojistku SF-2410FP-T 62 mA, jako pomalá pojistka potřebuje také „Křivku závislosti I²t na opakovaných cyklech spouštěcího proudu”, která dále definuje výkonnost pomalé pojistky s opakovaným úplným zapnutím/vypnutím obvodu (obrázek 8).

Obrázek 8: Jelikož jsou pomalé pojistky často vystaveny opakovaným cyklům vysokého spouštěcího proudu, účinek těchto cyklů na chování pojistek je upřesněn v datovém listu SF-1206S700. (Zdroj obrázku: Bourns)

Pro konstruktéry je užitečné vyzkoušet různé pojistky s ohledem na jejich typ, jmenovité hodnoty a velikost, což je však náročný úkol. Na rozdíl od aktivních (například operační zesilovače) nebo pasivních součástek (odpory, indikátory, kondenzátory) je pojistka jednorázovým zařízením a lze ji plně otestovat pouze jejím spouštěním, aby se účinně zničila. V důsledku toho je užitečné mít k dispozici několik různých hodnot a typů pojistek pro vyhodnocení.

Pro usnadnění tohoto procesu nabízí společnost Bourns soupravu SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab pro rychlé testování prototypů (obrázek 9). Obsahuje pět sad po 18 pomalých pojistkách (celkem 90 kusů) o velikosti 0402, 0603 a 1206 (1608 až 3216 v metrickém přepočtu); podobná souprava SF-FP-LAB1 obsahuje 160 kusů rychlých a přesných pojistek (pět sad po 32 hodnotách) v baleních 0402 až 1206 (1005 až 3216 v metrickém přepočtu).

Obrázek 9: Vzhledem k tomu, že testování pojistek často vede k jejich autodestrukci, konstrukční soupravy, jako je tato SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit pro pomalé pojistky, usnadňují konstruktérovi úlohu vyhodnotit velikost, montáž, tepelnou problematiku, výkon a další. (Zdroj obrázku: Bourns)

Závěr

Přes svou koncepční jednoduchost jsou tepelné pojistky sofistikované, pasivní elektrické a mechanické součástky splňující pokročilá tepelná, materiálová a výrobní kritéria. Jelikož se při zmenšování obvodů a produktů stává výměna pojistek uživatelem stále nepraktičtější, méně rozumnou nebo dokonce nebezpečnou, je zřejmá potřeba pojistek SMD (povrchová montáž), s nimiž se nakládá jako s jakýmkoli jinými SMD součástkami. Pojistky SMD navíc zjednodušují proces montáže a výroby a snižují náchylnost konstrukce k vibracím a korozi.

Jak je znázorněno na obrázku, pojistky SMD řady SinglFuse od společnosti Bourns nabízejí konstruktérům širokou škálu rozsahů a typů nadproudové ochrany splňující potřeby dnešních produktů a procesů výroby desek plošných spojů.

Další studie:

1. Výukový program pro pojistky SMD SinglFuse
2. Pojistky SMD Bourns SinglFuse
3. Konstrukční soupravy rychle působících, přesných a časově zpožděných SMD pojistek od společnosti Bourns

Reference

1. 8. Mezinárodní konference IEEE 2007 o elektrických pojistkách a jejich aplikacích, “K počátkům pojistek“