Bruk SMD-sikringer for å forenkle oppsett, reduser produktstørrelse, forbedre robusthet

Den termisk aktiverte sikringen er den eldste kretsbeskyttelsesenheten, og den er fortsatt i utbredt bruk. Den er godt forstått, pålitelig, konsekvent og godkjent i standarder hos tilsynsorganer. Men med sluttprodukter som øker i kompleksitet og krymper i størrelse, trenger designere et alternativ til den brukerutskiftbare sikringen og sikringsholderen for å redusere størrelsen, forenkle montering, forbedre robustheten og ytterligere øke sikkerheten.

I stedet kan designere bruke overflatemonteringsenheter (SMD-er) uten å gå på akkord med ytelsen. SMD-sikringer bruker forskjellige teknologier for å gi termisk basert sikring, sammen med hele spekteret av nødvendige sikringsegenskaper – for eksempel kvikk sikring og treg sikring.

Denne artikkelen gir en rask innføring om sikring, kretsbeskyttelse og konstruksjonshensyn. Deretter introduseres og beskrives SMD-sikringer fra Bourns, innbefattet deres primære egenskaper og hvordan de brukes.

Den grunnleggende sikringen varer

Den tradisjonelle sikringen med termisk aktivert smeltekontakt er ca. 150 år gammel og er den best kjente, mest direkte typen kretsbeskyttelsesenhet. Den er pålitelig og enkel å forstå, med konsistent ytelse i sin enkle funksjon – å gi beskyttelse mot overstrømsforekomster. Det gjør den ved entydig og ugjenkallelig å åpne kretsbanen og avbryte strømstrømmen når strømnivået overskrider mengden som er bestemt av sikringens dimensjonering.

En tradisjonell sikring representeres av forskjellige skjemasymboler avhengig av den grafiske standarden og består av en metalltråd som er nøyaktig konstruert i utforming, dimensjoner og materialer (figur 1). Når strømmen som går gjennom denne smeltekontakten overstiger en forhåndsinnstilt grense i nok tid, vil tråden smelte når den selvoppvarmer. Denne selvoppvarmingen er en direkte konsekvens av ohmisk I²R strømtap på grunn av strømgjennomstrømning gjennom koblingens motstand.

Figur 1: Sikringen er representert av ett av flere skjematiske symboler avhengig av hvilken standard som er i bruk. (Bildekilde: ClipArtKey.com)

Sikringer er tilgjengelige i mange kapslingstype, som den velkjente lille 3AG-glasspatronen som måler 6,35 mm (¼ tommer) i diameter og 31,75 mm (1¼ tommer) lang. For hver sikring og strømklasse gir leverandørene detaljerte grafer som viser forholdet mellom overstrømsverdien og den akkumulerte tiden som kreves for at sikringselementet (tråden) skal smelte og dermed stoppe strømgjennomstrømningen gjennom sikringen. Dette kalles I²t-klassifiseringen som indikerer tilgjengelig termisk energi som følge av strømgjennomstrømning, og har enheter på ²sekunder (^A 2 s).

Sikringen er ikke den eneste kretsbeskyttelsesenheten som brukes av designere. Det finnes andre passive enheter som gir andre former for beskyttelse ved å begrense, blokkere, skifte eller «brekke» ved for høye strøm- eller spenningsspenninger. Ingen av disse gir imidlertid den tydelige og irreversible strømbryteren til sikringen. De erstatter ikke sikringens funksjon, men de kan brukes der en sikring ikke er det riktige beskyttelsesalternativet, eller for å supplere sikringens handling der det er teknisk fornuftig. Blant de andre kjente kretsbeskyttelsesinnretningene er:

• Metalloksid-varistor (MOV)
• PTC-termistor (Positive Temperature Coefficient)
• TVS-dioder – demper for transientspenning (Transient voltage suppressor)
• Gassutladningsrør (GDT-er)
• Polymer PTC-nullstillbare sikringer

I likhet med sikringer har hver av disse en rolle i å gi kretsbeskyttelse, men den grunnleggende kretsbrytende, smeltbare koblingen beholder sin rolle og funksjon i mange konstruksjoner på grunn av kombinasjonen av egenskaper, inkludert konsistens, direkte påvirkning og irreversibilitet.

Utover den utskiftbare smeltekontakten

Termiske sikringer antas ofte å være feltutbyttelige enheter når de er paret med en egnet sikringsholder eller sokkel. Når det er sagt, er det ofte unødvendig å aktivere feltutskifting av brukeren, og det kan være uønsket for mange produkter. Dette gjelder for strømspareprodukter som mobiltelefoner, TV-mottakerbokser, små batteriladere, vekselstrøms-/likestrømsadaptere (AC-DC), samt leketøy, mellomdistanseapparater, inkludert verktøy, industrielle styringsenheter og forbrukergeneratorer, og til og med høystrømsystemer som ladere for elektriske kjøretøyer (EV-ladere). Ta i betraktning disse scenariene:

• Sikringer av forskjellige størrelser kan være nødvendig for å beskytte forskjellige delkretser i en større krets, inkludert de med følsomme signalveier, i stedet for hele produktet.
• Enheten som blir sikret kan være et lite, forseglet produkt, for eksempel en smarttelefon der sikringen primært er nødvendig for å beskytte batteriet og ladekretsen, der det er ingen mulighet for sluttbrukertilgang til innsiden.
• Fra et sikkerhetsperspektiv, med mindre den faktiske årsaken til den utløste sikringen er kjent, for eksempel at en mekaniker utilsiktet har berørt en strømskinne og koblet den til bilens chassis, er det i beste fall bortkastet tid, og i verste fall risikabelt å erstatte den bare fordi det er enkelt å gjøre det. Hvis for eksempel en sikring er en del av en beskyttelseskrets for et litiumbasert batteri og ladekretsen, er den et kritisk element i denne funksjonen. Derfor er det viktig å finne den grunnleggende årsaken til at sikringen «går» istedenfor bare blindt å erstatte den.
• En sikringsholder og dens kontakter bidrar til pålitelighetsproblemer på grunn av korrosjon, vibrasjoner og andre driftsmiljøfaktorer.
• Til slutt er det spørsmålet om størrelse: en sikring som er loddet på plass uten en holder, vil ha en mindre monteringsflate og lavere profil på PC-kortet.

For å implementere små, holderfrie sikringer som SMD-er og dermed bruke standard kortpopulasjon og loddeutstyr, er det nødvendig å se utover den tradisjonelle sikringen med dens trådlignende smeltekontakt, samtidig som man beholder selvoppvarmingsprinsippet som smelter og dermed åpner strømveien.

Et bredt utvalg av SMD-sikringer møter utfordringer i moderne konstruksjon

Ved å bruke kombinasjoner av materialer, teknologier, formuleringer og produksjonsteknikker, har Bourns utviklet en familie av SMD-sikringer som kan gi den termisk baserte sikringsfunksjonen over et bredt spekter av strømmer og driftsspenninger. Bourns produktportefølje avSinglFuse SMD-sikringener benytter syv forskjellige sikringskonstruksjonsteknologier: tynnfilms-katodeforstøvning (vakuum), tynnfilms-kretskort, keramisk flerlagslaminat, keramisk hulromslaminat, trådkjerne, keramisk rør og keramisk kube (figur 2).

Figur 2:SinglFuse-familien består kun av SMD-sikringer, men implementering av de mange strøm- og spenningskombinasjonene den tilbyr krever bruk av syv forskjellige sikringsteknologier. (Bildekilde: Bourns)

Dette utvalget av teknologier og konstruksjonstilnærminger gjør det mulig for den brede SinglFuse-porteføljen å tilby sikringer med et bredt spekter av spesifikasjoner på tvers av viktige parametere som nominell strøm, nominell spenning, bruddkapasitet (koblingseffekt)I²t og driftstemperatur. I tillegg er SinglFuse-produktene UL-, TUV- og VDE-kvalifiserte og i samsvar med UL 248- og IEC 60127-standardene, noe som letter veien til generell produktsertifisering. For bilutrustninger der det kreves fullstendige spesifikasjoner og pålitelig drift over en bred temperatur, er en av mange bilmandater, eller for andre harde driftsmiljøer, sikringer som er i samsvar med AEC-Q200 tilgjengelige.

Liten SMD-størrelse begrenser ikke mulighetene

Det er situasjoner hvor nødvendigheten for mindre komponenter, spesielt i SMD-kapslinger, setter grenser for deres funksjoner eller muligheter. Dette er ikke tilfellet med SinglFuse-enhetene, som er tilgjengelige i kapslingsstørrelser fra en nesten usynlige 0402 på 1,0 × 0,5 mm (0,04 tommer × 0,02 tommer) ved de nedre strømområdene til 3812 på 3,81 × 2,54 mm (0,15 tommer × 0,1 tommer) for sikringer med høyere kapasitet, fortsatt i ytterst liten størrelse.

Gjennom årene har sikringsleverandører utviklet spesialiserte versjoner av smeltekontaktenheter med unike egenskaper for å dekke kretsens behov. SinglFuse-enhetene gjenkjenner denne situasjonen og er tilgjengelige med forskjellige responsegenskaper, inkludert:

• Kvikk sikring (hurtigvirkende)
• Kvikk sikring med hurtigvirkende presisjon: med strammere toleranse på viktige spesifikasjoner
• Treg sikring: for å håndtere en midlertidig overstrøm som overstiger strømstyrken til sikringen
• Tidsforsinkelse: tillater elektrisk overspenning i en kort periode før den faktisk går
• Høyt innkoblingsstrømstøt: for overdreven (overskytende) oppstartsstrøm

Merk at detaljene i spenning-kontra-tid-profiler for disse forskjellige «sikrings-personlighetene» er definert på deres respektive dataark og bør studeres av konstruktøren for å få det som stemmer best for utrustningen.

Ytterlige nominelle verdier (Current rating extremes) viser området for ytelsene

Designere kan bruke SMD-sikringer på tvers av et bredt spekter av nominelle strømverdier. Den hurtigvirkende SMD-sikringen SF-2410FP0062T-2 er for eksempel plassert i et keramisk rør med et EIA 2410 (6125 metrisk) monteringsflate, og måler ca. 6 mm lengde og 2,1 × 2,6 mm på den rektangulære enden (figur 3).

Figur 3: Bourns SF-2410FP0062T-2 er en kvikk SMD-sikring med presisjon i en rektangulært format. (Bildekilde: Bourns)

Denne sikringen er spesifisert for 125 volts vekselstrøms-/likestrømsdrift (AC-DC-drift) og har en nominell verdi på 62 mA (milliampere) sammen med en typisk I²t-verdi på 0,0012 A²s. Mens oppsummeringsspesifikasjonen på øverste nivå er at den åpnes i løpet av fem sekunder ved 200 % av nominell strøm, vil brukerne sannsynligvis ønske å studere ytelsesgrafene som kvantifiserer pre-lysbuetid (figur 4) og I²t-klassifisering (figur 5), nøkkelindikatorer for sikringsresponstid. Designere må være oppmerksomme på IR-spenningsfallet gjennom sikringen når den opererer innenfor sin nåværende klassifisering på grunn av dens motstand på ca. 6 Ohm (Ω); dette fallet er under 40 millivolt (mV) maksimum.

Figur 4: Databladet til SF-2410FP0062T-2 inkluderer detaljer om pre-lysbuetid til sikringen fra svært lav strøm opp til dens nominelle maksimum, en parameter som definerer sikringens respons-versus-strømprofil. (Bildekilde: Bourns)

Figur 5: Databladet til SF-2410FP0062T-2 viser også den kritiske ^I 2 t-profilen for akkumulert termisk energi på forskjellige strømnivåer. (Bildekilde: Bourns)

En svært forskjellig rekkevidde og ytelsesprofil tilbys av treg sikring SF-1206S700 (figur 6), en 7 A-enhet spesifisert til å åpnes innen fem sekunder ved 250 % av maksimal nominell strøm.

Figur 6: den trege sikring for overflatemontering SF-1206S700 i Bourns SF-1206S-serien er en 7 A-enhet som er spesifisert til å åpnes innen fem sekunder ved 250 % av maksimal nominell strøm (Bildekilde: Bourns)

SF-1206S700 bruker en annen kapsling og teknologi enn SF-2410FP-T, og leveres i en 3216- (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) flat kapsling som bare måler 0,6 mm høyde, på grunn av sin tynnfilmkonstruksjon (figur 7). Motstanden på bare 7 mΩ (milliohm) sikrer et lavt IR-fall på litt under 50 mV ved maksimal strøm.

Figur 7: Dette snittet av den trege SMD-sikringen SF-1206S700 gir et hint om de sofistikerte materialene og teknologien som brukes for å lage enheten. (Bildekilde: Bourns)

Selv om databladet for denne sikringen har grafer som ligner dem for SF-2410FP-T 62 mA-sikringen, trenger den også en «I²T Derating Curve vs Repeater Rush Current»-kurve som videre definerer sikringens ytelse ved treg utløsning med gjentatt full på/av-kretsdrift (figur 8).

Figur 8: Trege sikringer utsettes ofte for gjentatte sykluser med høyt innkoblingsstrømstøt, SF-1206S700-databladet viser klart effekten av disse syklusene på sikringens oppførsel. (Bildekilde: Bourns)

Det er nyttig for designere å vurdere forskjellige sikringer med hensyn til type, vurderinger og størrelse, men det er en utfordring å gjøre det. I motsetning til aktive komponenter (for eksempel operasjonsforsterkere – op-amp-er) eller passive (motstander, indikatorer, kondensatorer), er en sikring en engangsenhet og kan bare testes fullstendig ved å skyve den til effektiv selvdestruksjon. Som en konsekvens er det nyttig å ha flere av ulike sikringsverdier og -typer tilgjengelig for evaluering.

For å lette denne prosessen tilbyr Bourns SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab-settet for hurtigsvingprototypetesting (figur 9). Den inneholder fem hver av 18 trege sikringer (totalt 90 stykker) i 0402-, 0603- og 1206-sikringer ((1608 til 3216 metrisk); det tilsvarende SF-FP-LAB1-settet har 160 stykker kvikke presisjonssikringer (fem hver av 32 verdier) i 0402- til 1206-kapsling (1005 til 3216 metrisk).

Figur 9: Ettersom testing ofte driver sikringer til selvdestruksjon, letter designsett som denne SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab-sett for trege sikringer konstruktørens oppgave med å evaluere størrelse, montering, termiske utfordringer, ytelse og andre problemer. (Bildekilde: Bourns)

Konklusjon

Til tross for sin begrepsmessige enkelhet, er termiske sikringer sofistikerte, passive elektriske og mekaniske komponenter basert på avanserte termiske, material- og produksjonshensyn. Etter hvert som kretser og produkter krymper, noe som gjør brukerbytte av en sikring stadig mer upraktisk, uklokt eller til og med farlig, er behovet for overflatemonterte enhetssikringer (surface mount device – SMD), som håndteres akkurat som alle andre SMD-enheter, åpenbart. SMD-sikringer forenkler i tillegg monterings- og produksjonsprosessen og reduserer en konstruksjons følsomhet for vibrasjoner og korrosjon.

Som vist – tilbyr Bourns SinglFuse-serien SMD-sikringer med et bredt spekter av overstrømsbeskyttelsesområder og -typer, så designere kan møte dagens behover for produkter og prosessering av PC-kort.

Finn mer informasjon:

1. Opplæring i SinglFuse SMD-sikringer
2. Bourns SinglFuse SMD-sikringer
3. Bourns kvikke sikring Precision (Fast-Acting Precision) og tidsforsinkede (Time-Lag) SinglFuse SMD-sikringskonstruksjonssett

Referanse

1. Den åttende IEEE 2007-konferansen om elektriske sikringer og deres bruksområder, «Til opphavet av sikringer»