Bezpieczniki SMD do "prawdziwych" zwarć

Bezpieczniki 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.

Najmniejszymi 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.

Bezpiecznik 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].

Na 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.

Podczas 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