Använd ytmonterade säkringar för att förenkla kortlayouten, minska produktstorleken och för mer robusta konstruktioner

Den termiskt utlösta säkringen är den äldsta kretsskyddsanordningen och används fortfarande i stor utsträckning. Den är väl beprövad, tillförlitlig, konsekvent och godkänd av regelverken. Men med slutprodukter som ökar i komplexitet och krymper i storlek, behöver konstruktörer ett alternativ till den användarutbytbara säkringen och säkringshållaren för att minska storleken, förenkla monteringen, förbättra robustheten och ytterligare förbättra säkerheten.

Istället kan konstruktörer använda ytmonterade komponenter (SMD) utan kompromiss med prestandan. Ytmonterade säkringar använder olika tekniker för att ge värmebaserad avsäkring utöver hela listan av nödvändiga säkringsegenskaper, såsom snabb eller trög utlösning.

Denna artikel ger en snabböversikt av säkringar, kretsskydd och konstruktionshänsyn. Sedan introduceras och beskrivs ytmonterade säkringar från Bourns, inklusive deras viktigaste egenskaper och hur de används.

Den gamla säkringen lever fortfarande

Den traditionella säkringen med termiskt utlöst smälttråd är cirka 150 år gammal och är den mest kända, mest direkta typen av kretsskydd. Den är tillförlitlig och enkel att förstå sig på, med enhetlig prestanda i den enda funktionen, vilken är att skydda mot överström. Det gör den genom att tydligt och oåterkalleligen bryta kretsen och avbryta strömflödet när strömnivån överstiger nivån som säkringen är klassad för.

En traditionell säkring representeras av olika schematiska symboler beroende på den grafiska standarden och består av en metalltråd som är exakt framställd beträffande utformning, dimensioner och material (figur 1). När strömmen som passerar genom smältlänken överstiger en förinställd gräns under tillräckligt lång tid smälter länken när av värmen. Denna uppvärmning är en direkt följd av den resistiva I²R effektförlusten till följd av strömflödet genom länkens resistans.

Figur 1: Säkringen avbildas med flera olika schematiska symboler beroende på vilken standard som används. (Bildkälla: ClipArtKey.com)

Säkringar finns i många format, såsom den välkända 3AG-typen med en liten glaspatron som är ¼ tum i diameter och 1¼ tum lång. För varje säkring och strömklass tillhandahåller leverantörerna detaljerade diagram som visar förhållandet mellan överströmsvärde och den sammanlagda tid som krävs tills säkringselementet smälter och därmed stoppar strömflödet genom säkringen. Detta kallas I²t-klassning och anger den termiska energi som härrör från strömflödet, och använder som enhet ampere²-sekunder (A²s).

Men smältsäkringen är inte den enda kretsskyddsanordning som konstruktörer använder. Det finns andra passiva anordningar som ger andra former av skydd genom att begränsa, blockera, shunta eller "kortsluta" bort för hög ström eller spänning. Inget av dessa erbjuder dock säkringens tydliga och irreversibla strömavstängning. De ersätter inte säkringens funktion, men de kan användas om en säkring inte är ett lämpligt skydd eller för att komplettera säkringens funktion där det är tekniskt gångbart. Bland andra välkända kretsskyddsanordningar finns:

• Metalloxidvaristorn (MOV)
• Positiv temperaturkoefficient-termistorn (PTC)
• Transientdämparen (TVS)
• Gasurladdningsröret (GDT)
• Den återställbara PTC-säkringen

Precis som säkringar fyller var och en av dessa en roll som kretsskydd, men den grundläggande kretsbrytande, smältlänken behåller sin roll och funktion i många konstruktioner på grund av dess kombination av egenskaper, såsom konsekvent beteende, direktverkan och oåterkallelighet.

Bortom den utbytbara smältlänken

Termiska säkringar antas ofta vara fältutbytbara enheter när de kombineras med en lämplig hållare eller sockel. Med detta sagt är det dock ofta onödigt att möjliggöra fältutbyte av användaren och det kan vara oönskat för många produkter. Detta gäller produkter med låg effekt som mobiltelefoner, tv-boxar, små batteriladdare, AC/DC-väggadaptrar och leksaker; medelstora enheter som elverktyg, industriella styrenheter och konsumentgeneratorer; och högeffektsystem som laddare till elfordon. Tänk på dessa scenarier:

• Säkringar med olika klassning kan behövas för att skydda olika delkretsar i en större krets, inklusive sådana som har känsliga signalbanor, snarare än hela produkten.
• Enheten som ska avsäkras kan vara en liten, förseglad produkt som en smartphone där säkringen behövs främst för att skydda batteriet och dess laddningskretsar och det finns ingen möjlighet för slutanvändaren att komma åt insidan.
• Ur ett säkerhetsperspektiv, såvida inte den verkliga orsaken till den utlösta säkringen är känd, exempelvis att en mekaniker oavsiktligt har lyckats kortsluta en strömledare mot chassit, är det som bäst bortkastad tid och i värsta fall riskabelt att byta ut säkringen. Om exempelvis en säkring är en del av en skyddskrets för ett litiumbaserat batteri och dess laddningskrets, är det ett viktigt element i den funktionen. Därför är det viktigt att hitta orsaken till att säkringen går snarare än att bara byta ut den på rutin.
• En säkringshållare och dess kontakter ökar tillförlitlighetsproblemen på grund av korrosion, vibrationer och andra driftsmiljöfaktorer.
• Slutligen finns det frågan om storleken: en säkring som löds på plats utan hållare tar mindre plats och bygger inte lika mycket höjd på kretskortet.

För att implementera små, hållarfria ytmonterade säkringar och på så sätt använda standardiserade kortkomponenter och lödutrustning, är det nödvändigt att titta bortom den traditionella säkringen med sin trådformade smältlänk, samtidigt som man behåller principen med smältande uppvärmning och därmed bryter strömbanan.

Med ett brett utbud av ytmonterade säkringar klarar man utmaningarna i moderna konstruktioner

Genom att använda kombinationer av material, tekniker, ämnen och tillverkningstekniker har Bourns utvecklat en familj av ytmonterade säkringar som ger den termiska avsäkringsfunktionen över ett brett omfång av strömmar och driftspänningar. Bourns SinglFuse-produktportfölj för ytmonterade säkringar använder sju olika konstruktionsteknologier för avsäkring: tunnfilmsförstoftning, tunnfilmskort, keramiska flerskiktskort, keramiskt hålighetslaminat, trådkärna, keramikrör och keramisk kub (figur 2).

Figur 2: SinglFuse-familjen består enbart av ytmonterade säkringar men för att implementera de många ström- och spänningskombinationer som den erbjuder, krävs sju olika säkringsteknologier. (Bildkälla: Bourns)

Denna bredd av olika teknologier och konstruktionsmetoder gör att den breda SinglFuse-portföljen kan erbjuda säkringar med ett brett spektrum av väsentliga parameterspecifikationer som märkström, märkspänning, brytförmåga, I²t och driftstemperatur. Dessutom är SinglFuse-produkterna UL-, TUV- och VDE-kompatibla och uppfyller standarderna UL 248 och IEC 60127, vilket underlättar vägen till en övergripande produktcertifiering. För fordonstillämpningar där fullständiga specifikationer och tillförlitlig drift krävs över ett brett temperaturintervall - ett av många krav inom fordonssektorn - eller för andra hårda arbetsmiljöer, finns säkringar som är kompatibla med AEC-Q200.

Små dimensioner på ytmonterade komponenter begränsar inte kapaciteten

Det finns situationer där kraven på mindre komponenter, särskilt ytmonterade, begränsar funktionaliteten eller prestandan. Detta är inte fallet med SinglFuse-enheterna, vilka finns i storlekar från den nästan osynliga 0402 (1,0 × 0,5 mm) i de lägre strömintervallen till 3812 (3,81 × 2,54 mm) för säkringar med högre kapacitet, vilket fortfarande är smått.

Under åren har säkringsleverantörer utvecklat specialversioner av smältlänkar med unika attribut för att uppfylla kretsarnas behov. Med tanke på denna situation finns SinglFuse-enheter med olika responsegenskaper, såsom:

• Snabbverkande
• Snabbverkande precision: med stramare toleranser för vissa parametrar
• Långsamma (tröga): för att klara en tillfällig överspänningsström som överstiger säkringens strömklassning
• Tidsfördröjning: tillåter elektrisk överspänning en kort stund innan den faktiskt bryter
• Hög startström: för för höga startströmmar

Observera att specifikationerna för ström-kontra-tid-profilerna för dessa olika säkringskarakteristika definieras i sina respektive datablad och bör studeras av konstruktören för att hitta den bästa varianten till respektive tillämpning.

Extrema strömklassningar visar bredden av prestanda

Konstruktörer kan använda ytmonterade säkringar för ett stort antal nominella strömstyrkor. Exempelvis är den snabba ytmonterade precisionssäkringen SF-2410FP0062T-2 inkapslad i ett keramiskt rör med ett EIA 2410-format (6125 metriskt) och mäter cirka 6 mm i längd och 2,1 × 2,6 mm på den rektangulära änden (figur 3).

Bild 3: Bourns SF-2410FP0062T-2 är en snabb ytmonterad säkring i en rektangulär kapsling. (Bildkälla: Bourns)

Denna säkring är specificerad för 125 volt AC/DC och har en klassning på 62 mA, samt en typisk I²t-klassning på 0,0012 A²s. Specifikationen på övergripande nivå är att den bryter inom fem sekunder vid 200 % av märkströmmen, men användarna vill troligtvis också titta på prestandadiagrammen som kvantifierar tiden före smältningen (figur 4) och I²t-klassningen (figur 5), vilka är nyckelindikatorer för säkringens svarstid. Konstruktörerna bör vara medvetna om IR-spänningsfallet genom säkringen när den körs under sin strömklassning till följd av dess resistans på ca 6 Ohm (Ω); detta fall ligger som maximalt under 40 mV.

Figur 4: Databladet för SF-2410FP0062T-2 innehåller information om säkringens tid före smältning från mycket låg ström upp till dess nominella maximum, en parameter som definierar säkringens profil för respons relativt ström. (Bildkälla: Bourns)

Figur 5: Databladet för SF-2410FP0062T-2 visar också den kritiska I²t-profilen för ackumulerad termisk energi vid olika strömnivåer. (Bildkälla: Bourns)

Ett väldigt annorlunda sortiment och prestandaprofil erbjuds av den tröga säkringen SF-1206S700 (figur 6), en 7 A-komponent som är specificerad att bryta inom fem sekunder vid 250 % av dess maximala märkström.

Bild 6: Den tröga säkringen SF-1206S700 i Bourns SF-1206S-serie är en 7 A-komponent som är specificerad att bryta inom fem sekunder vid 250 % av dess maximala märkström. (Bildkälla: Bourns).

SF-1206S700 använder en annan kapsling och en annan teknik än SF-2410FP-T och är inrymd i en platt 3216-kapsling (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) som bara mäter 0,6 mm på grund av dess tunnfilmskonstruktion (figur 7). Dess resistans på bara 7 mΩ säkerställer ett lågt IR-fall på knappt 50 mV vid maximal ström.

Figur 7: Denna genomskärning av den tröga ytmonterade säkringen SF-1206S700 ger en antydan om de sofistikerade material och teknologier som används till enheten. (Bildkälla: Bourns)

Medan databladet för denna säkring har grafer som liknar dem för 62 mA-säkringen SF-2410FP-T, behöver den som trög säkring också en “I²T Derating Curve vs Repeater Rush Current”-kurva som ytterligare definierar den tröga säkringskarakteristiken med upprepade fullständiga tillslag/frånslag (figur 8).

Figur 8: Tröga säkringar utsätts ofta för upprepade cykler med hög strömrusning, så databladet SF-1206S700 klargör effekten av dessa cykler på säkringens beteende. (Bildkälla: Bourns)

Det är användbart för konstruktörer att praktiskt utvärdera olika säkringar med avseende på typ, betyg och storlek, men det finns en utmaning i att göra det. Till skillnad från aktiva (exempelvis op-förstärkare) och passiva komponenter (motstånd, indikatorer, kondensatorer) är en säkring en engångskomponent och kan endast testas fullständigt genom att den pressas till faktisk självdestruktion. Som en konsekvens är det användbart att ha flera olika säkringsvärden och klassningar tillgängliga för utvärdering.

För att underlätta denna process erbjuder Bourns SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit för snabb prototyptestning (figur 9). Den innehåller fem vardera av 18 tröga säkringar (totalt 90 stycken) i 0402-, 0603- och 1206-storlekar (1608 till 3216 metriskt); den liknande SF-FP-LAB1-satsen har 160 st snabba precisionssäkringar (fem vardera i 32 olika värden) i 0402- till 1206-kapslingar (1005 till 3216 metriskt).

Figur 9: Eftersom testningen ofta får säkringar att självdestrueras, underlättar konstruktionssatser som denna SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit för tröga säkringar för konstruktören att utvärdera storlek, montering, termiska problem, prestanda och andra aspekter. (Bildkälla: Bourns)

Slutsats

Trots sin konceptuella enkelhet är termiska säkringar sofistikerade, passiva elektriska och mekaniska komponenter baserade på komplexa värme-, material- och tillverkningshänsyn. Eftersom kretsar och produkter krymper, vilket gör användarbyte av en säkring alltmer opraktiskt, oklokt eller till och med farligt, är behovet av ytmonterade säkringar (SMD), som hanteras precis som alla andra ytmonterade komponenter, uppenbart. Dessutom förenklar ytmonterade säkringar monterings- och tillverkningsprocessen och minskar konstruktionens känslighet för vibrationer och korrosion.

Som det visats erbjuder Bourns SinglFuse-serien av ytmonterade säkringar konstruktörer ett brett sortiment av överströmsskydd av olika omfång och typ, för att uppfylla behoven hos dagens produkter och tillverkningsprocesser för kretskort.

Ytterligare studiematerial:

1. Guide till ytmonterade SinglFuse-säkringar
2. Bourns ytmonterade SinglFuse-säkringar
3. Bourns konstruktionssatser för snabba, ytmonterade SinglFuse-säkringar med tidsfördröjning

Referens

1. IEEE 2007: åttonde internationella konferensen om elektriska säkringar och deras tillämpningar, “To the origins of fuses”