wersja mobilna | kontakt z nami

Bezpieczniki SMD do "prawdziwych" zwarć

Numer: Kwiecień/2017

W porównaniu z dotychczas stosowanymi bezpiecznikami SMD, nowe bezpieczniki SMD firmy SIBA wydają się duże, a nawet ogromne. Ale stawiane im wymagania również są ogromne ? w końcu ich zadaniem jest wyłączanie prądów zwarciowych o natężeniu wieluset amperów, a w przypadku uszkodzeń odłączenie uszkodzonych elementów lub urządzeń od sieci. W artykule opisano zasadę działania tych bezpieczników.

Pobierz PDF

Uwaga! Opisywane bezpieczniki opracowano, aby pełniły funkcje ochronne, jako część urządzenia lub całej instalacji. System istotny dla bezpieczeństwa zwykle obejmuje urządzenia kontrolne, czujniki, jednostki oceny oraz koncepcję bezpiecznego rozłączania. Odpowiedzialność za zapewnienie prawidłowego funkcjonowania ponosi producent instalacji lub urządzenia. SIBA GmbH i jej biura sprzedaży (dalej zwane SIBA) nie są w stanie zagwarantować właściwego funkcjonowania całej instalacji lub urządzeń, które nie zostały zaprojektowane przez firmę SIBA. Po wybraniu produktu użytkownik powinien sprawdzić jego działanie we wszystkich możliwych zastosowaniach. SIBA zrzeka się wszelkiej odpowiedzialności za wyżej zawarte rekomendacje i sugestie. Gwarancja, rękojmia oraz odpowiedzialność firmy SIBA odnośnie do niniejszej publikacji nie wykracza poza ogólne przepisy zawarte w Ogólnych Warunkach Dostaw firmy SIBA.Technologie oraz normy techniczne są stale udoskonalane. Niniejsza publikacja odwołuje się do stanu techniki ogólnie przyjętego w momencie druku. Prosimy to wziąć pod uwagę przy korzystaniu z zawartych tutaj informacji.

tab1Bezpieczniki do montażu powierzchniowego, tzw. bezpieczniki SMD, są przeznaczone do kontrolowania i wyłączania prądów przetężeniowych w ograniczonej przestrzeni. Aby to osiągnąć, używa się bezpieczników o zróżnicowanej budowie, które zapewniają optymalne wykorzystanie powierzchni dostępnej na płytce drukowanej. Tabela 1 zawiera przegląd najczęściej używanych bezpieczników SMD.

rys1Najmniejszymi członkami rodziny bezpieczników SMD są bezpieczniki chipowe (rysunek 1a). Przy szerokości poniżej 1 mm są szeroko stosowane w telefonach komórkowych, golarkach oraz w innych niewielkich urządzeniach. Działają jako zabezpieczenie w razie uszkodzenia akumulatora zasilającego, co jest szczególnie ważne przy zasilaniu z ogniw litowych. Typowe napięcie znamionowe to 10, 20, 30 lub 40 V AC/DC.

Bezpieczniki na napięcie 100 V i wyższe mają nieznacznie większe gabaryty. Zostały zaprojektowane jako bezpieczniki blokowe (rysunek 1b). Większość ma ceramiczną obudowę, a w porównaniu do bezpieczników chipowych są „trudne do przeoczenia”, ponieważ mają spore wymiary – ich długość może wynosić np. 6 mm. Ta grupa obejmuje również bezpieczniki o napięciu znamionowym 250 V. Dzięki maksymalnej zdolności wyłączania 100 A przy 250 V mogą stanowić zabezpieczenie przeciwzwarciowe w obwodach wtórnych.

W celu zabezpieczenia się przed „prawdziwymi zwarciami” rzędu kilkuset amperów do tej pory były dostępne bezpieczniki cylindryczne o wymiarach 5 mm×20 mm (rysunek 1c), specjalnie przygotowane do montażu powierzchniowego. W porównaniu z bezpiecznikami o standardowej budowie, stabilność termiczna wymagana przy lutowaniu rozpływowym została zapewniona poprzez zastosowanie w bezpieczniku lutowia topiącego się w wyższej temperaturze. Często pokrywy stykowe są złocone zamiast niklowane. Te bezpieczniki bez żadnych problemów są w stanie wyłączyć prąd 1500 A, zgodnie ze znormalizowaną klasyfikacją „H”, nawet przy napięciu sieci 230 V AC. Jest to powód, dla którego są one chętnie używane w obwodach pierwotnych zespołów zasilających.

Nowy, duży brat

Do tej pory brakowało bezpiecznika o wymienionych wcześniej parametrach, które nie ulegałyby pogorszeniu podczas montażu. Teraz ta luka może być wypełniona przez prezentowany, nowo opracowany, prostopadłościenny bezpiecznik o napięciu znamionowym 250 V, który jest w stanie przerwać prądy wyłączeniowe przekraczające 1500 A.

To wszystko osiągnięto za pomocą pokazanego na rysunku 2 bezpiecznika o wymiarach 4,5 mm×16 mm. Z jednej strony, ten bezpiecznik jest większy niż chipowy bezpiecznik SMD, a z drugiej jest mniejszy od cylindrycznego bezpiecznika SMD o podobnych parametrach.

Do tej pory używano głównie bezpieczników rurkowych 5 mm×20 mm z końcówkami do lutowania (rys. 2). W porównaniu z nimi nowy, prostopadłościenny bezpiecznik SMD ma liczne zalety związane z montażem na płytce drukowanej. Ponadto, występuje pozytywny „efekt uboczny”, ponieważ prąd znamionowy może być naniesiony w postaci cyfr i przez to jest zawsze łatwy do odczytania – nie trzeba już posługiwać się trudnymi do rozszyfrowania kodami barwnymi.

rys2Bezpiecznik składa się z tych samych elementów, z których są zbudowane, używane od dziesięcioleci, bezpieczniki cylindryczne. Widoczne części to ceramiczny korpus oraz pokrywy stykowe, które szczelnie izolują przestrzeń, w której znajduje się topik. W celu uzyskania styczności z topikiem, wewnątrz bezpiecznika stosuje się lutowanie w wysokiej temperaturze, które zapewnia przyczepność między pokrywami stykowymi i korpusem izolacyjnym. Wszystkie te części muszą być przede wszystkim odporne na wysoką temperaturę występującą podczas lutowania rozpływowego. Bezpiecznik zaprojektowano w taki sposób, aby był odporny na temperaturę nagrzewania wstępnego, wzrastającą od 150°C do 200°C w czasie od 60 do 120 sekund, jak również na temperaturę lutowania rozpływowego większą niż 217°C przez 60 do 90 sekund, z temperaturą szczytową 250°C przez około 30 sekund.

Zgodnie z dotyczącą bezpieczników SMD normą EN 60127-4, bezpieczniki te charakteryzują się zwłoczną charakterystyką działania (T), tzn. przy dziesięciokrotnym prądzie znamionowym czas zadziałania wynosi od 10 do 100 ms; co czyni je odpornymi na prądy udarowe załączania po pierwotnej stronie transformatora. Z drugiej strony, w wypadku przeciążeń działają one stosunkowo szybko – prądy dwukrotnie większe od prądu znamionowego wyłączają już po około jednej minucie [2].

rys3Na koniec informacja najważniejsza: bezpieczniki te mają dużą zdolność wyłączania oznaczoną literą „H”. Zgodnie z odnośnymi normami oznacza to, że są one w stanie wyłączać prąd 1500 A przy 250 V AC. Wiadomo jednak, że zdarzają się prądy zwarciowe w zakresie do 4000 A, co zostało uwzględnione przy projektowaniu omawianych bezpieczników. W ten sposób bezpiecznik chroni obwód przed potencjalnymi prądami zwarciowymi w urządzeniu i jest on odpowiedni do aplikacji po pierwotnej stronie transformatora w zespole zasilającym.

„Prawdziwe” prądy zwarciowe

Ale jak to możliwe, aby tak mały element był w stanie wytrzymać prądy zwarciowe do 4000 A? Przyczyna leży w zdolności bezpieczników do wyłączania prądu zwarciowego już na etapie jego wzrostu, to znaczy, działają one metodą ograniczania prądu. Zilustrowano to na rysunku 3, na przykładzie prądu zwarciowego 4000 A. Jeżeli w zwartym obwodzie nie zastosowano by bezpiecznika, prąd 4000 A płynąłby przez kilka okresów, dopóki nie zadziałałoby inne urządzenie ochronne, np. domowy wyłącznik nadmiarowo-prądowy. Jednak wtedy byłoby niestety za późno dla urządzenia, w którym wystąpiło zwarcie; pomijając inne szkody – przypadkowy łuk mógłby pozostawić trwałe uszkodzenia.

Przy zastosowaniu na płytce drukowanej bezpiecznika, w ogóle nie dojdzie do wspomnianej sytuacji. Z powodu dużej gęstości prądu występującej w czasie wyłączania cienki drut topikowy topi się i odparowuje w ciągu kilku milisekund.

tab2Podczas tego procesu cząstki metalu topika kondensują na ziarenkach piasku. W rezultacie powstaje niewielki łuk, który utrzymuje się do czasu, gdy mieszanina piasku kwarcowego z metalem utworzy przerwę izolacyjną. Działanie polega na ograniczeniu prądu; topik wyłącza prąd zakłóceniowy, zanim prąd półfali osiągnie maksimum. W tabeli 2 umieszczono największe wartości prądów ograniczonych oraz czasy wyłączania bezpieczników na prądy znamionowe 1 A i 10 A. Na przykładzie widać, że bezpiecznik 1 A wyłącza prąd zwarciowy 4000 A w czasie 0,5 ms, ograniczając natężenie do 200 A w czasie narastania prądu.

Co można z nimi zrobić?

Można je składować – z magazynu nie uciekną... Autor przeprasza za ten kiepski żart. Oczywiście, celem nowych bezpieczników SMD jest na przykład zabezpieczanie po stronie pierwotnej zespołów zasilających. Maksymalny prąd znamionowy 10 A umożliwia również skuteczne zabezpieczenie zespołów zasilających o większej mocy. Przy prądach znamionowych do 6,3 A bezpieczniki są nawet przystosowane do napięcia pracy 277 V. Na przykład, do zastosowania w Stanach Zjednoczonych otrzymały one odpowiedni certyfikat organizacji konsumenckiej UL [3].

Już na etapie projektowania bezpieczników uwzględniono możliwość ich zastosowania w miejscach, w których mogą wystąpić atmosfery wybuchowe. W celu spełnienia w tym zakresie wymagań normy IEC 60079-11 dobrano odpowiednią odległość między pokrywami – wynosi ona około 10 mm. W ten sposób bezpieczniki dodatkowo spełniają wymagania północnoamerykańskich jednostek certyfikujących [4]. Bezpieczniki te mogą być stosowane we wszystkich aplikacjach, w których występują duże prądy zwarciowe przy napięciu sieci 230 V, na przykład w przetwornicach zasilających, obwodach kontrolnych, czujnikach, polach pomiarowych, w urządzeniach w wykonaniu przeciwwybuchowym, w interfejsach i urządzeniach sterujących. Ponadto, bezpieczniki te charakteryzują się zdolnością wyłączania 1500 A przy napięciu stałym 250 V, co czyni je jeszcze bardziej wszechstronnymi.

Heinz-Urlich Haas
Kierownik Działu Badań i Rozwoju
SIBA GmbH

 

Bibliografia:
  1. www.siba.de
  2. EN 60127-4, Miniature fuses – Part 4: Universal modular fuse-links (UMF) – through hole and surface-mount types
  3. www.ul.com
  4. IEC 60079-11: 2006, Draft standard 2008-04: Explosive atmospheres – Part 11: Equipment protection by intrinsic safety „i” 

 

Więcej informacji:
  SIBA Polska Sp. z o.o.
  ul. Grzybowa 5G, 05-092 Łomianki
  tel. 22 832 14 77, 601 241 236, 603 567 198
  faks 22 8339118, siba@siba-bezpieczniki.pl
  www.siba-bezpieczniki.pl

Pozostałe artykuły

Układy zarządzania zasilaniem Maxim Integrated i Austria Micro Systems

Numer: Wrzesień/2016

...

Małe, panoramiczne wyświetlacze TFT-LCD

Numer: Sierpień/2016

Od kilku lat widać silny trend, w którego ramach alfanumeryczne i monochromatyczne graficzne wyświetlacze LCD są zastępowane kolorowymi ekranami graficznymi, wykonywanymi w technologii TFT-LCD lub OLED. Niestety, w wielu przypadkach użycie klasycznego wyświetlacza nowszego typu nie wchodzi w grę, gdyż proporcje wymiarów matryc zupełnie nie pasują do kształtu obudowy urządzenia. Sytuacja ta właśnie ulega zmianie, gdyż na rynku pojawiło ...

Moduły transmisyjne Silicon Laboratories i ZMDI

Numer: Sierpień/2016

W dobie Internetu Rzeczy (IoT) nastąpił bardzo szybki oraz duży wzrost liczby i różnorodności dostępnych na rynku modułów do komunikacji bezprzewodowej, dzięki czemu wielu elektroników zaczyna opierać swoje projekty o bezprzewodową transmisję danych. Projektowane są urządzenia z zakresu wielu segmentów rynku np. elektronika użytkowa, automatyka budynkowa oraz przemysłowa, mobilne urządzenia multimedialne np. nawigacje samochodowe, ...

Nowe MEMSy KDS w ofercie Codico

Numer: Lipiec/2017

Firma KDS (Daishinku Corporation) opracowała nowe rezonatory z serii Elite Platform MEMS oscillators. Są to rewolucyjne układy mikro-elektro-mechaniczne, przeznaczone do pracy jako niezwykle precyzyjne rezonatory MEMS kompensowane temperaturowo (TCMO) lub sterowane napięciowo (VCMO). Zastosowano w nich technologie DualMEMS i TurboCompensation firmy SiTimes. Układy właśnie wprowadzono do oferty Codico.

STM32L w praktycznej aplikacji wearable. Zmontuj sobie sportowy smartwatch

Numer: Lipiec/2016

Najnowsze narzędzie ewaluacyjna z oferty STMicroelectronics dla mikrokontrolerów STM32 - zestaw STEAVL-WESU1 - jest nietypowym narzędziem, wymaga bowiem od użytkownika odrobiny zdolności manualnych. Wynika to z faktu, że zamiast gotowego modułu do testów w efektownym pudełku otrzymujemy kit do samodzielnego złożenia. Zatem ? do dzieła!

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Wrzesień 2017

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym