Gebruik SMD Zekeringen om de lay-out te vereenvoudigen, de productgrootte te verkleinen en de robuustheid te verbeteren

De thermisch geactiveerde zekering is de oudste circuitbeveiliging en wordt nog steeds op grote schaal gebruikt. Het is goed begrepen, betrouwbaar, consistent en goedgekeurd door regelgevende normen. Nu eindproducten echter steeds complexer worden en kleiner worden, hebben ontwerpers een alternatief nodig voor de door de gebruiker te vervangen zekering en zekeringhouder om de vormfactor te verminderen, de assemblage te vereenvoudigen, de robuustheid te verbeteren en de veiligheid verder te vergroten.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers oppervlaktemontage-apparaten (SMD's) gebruiken zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. SMD-zekeringen maken gebruik van diverse technologieën om te zorgen voor thermisch gebaseerde fusing, samen met het volledige scala aan noodzakelijke zekeringskenmerken, zoals snelwerkende en langzame slag.

Dit artikel geeft een snelle inleiding over fusing, circuitbescherming en ontwerpoverwegingen. Het zal dan de SMD-zekeringen van Bourns introduceren en beschrijven, met inbegrip van hun primaire kenmerken en hoe ze worden toegepast.

De basiszekering houdt stand

De traditionele zekering met zijn thermisch geactiveerde smeltlood is ongeveer 150 jaar oud en is het bekendste, meest directe type circuitbeveiliging. Het is betrouwbaar en eenvoudig te begrijpen, met consistentie van de prestaties in zijn enige functie van het bieden van bescherming tegen overstromen. Dit gebeurt door het ondubbelzinnig en onherroepelijk openen van het circuit en het onderbreken van de stroomtoevoer wanneer het stroomniveau hoger is dan de hoeveelheid die door het ontwerp van de zekering wordt bepaald.

Een traditionele zekering wordt weergegeven door verschillende schematische symbolen, afhankelijk van de grafische standaard, en bestaat uit een metalen draad die precies is ontworpen in het ontwerp, de afmetingen en de materialen (Afbeelding 1). Wanneer de stroom die door deze smeltbare verbinding gaat een vooraf ingestelde limiet voor voldoende tijd overschrijdt, zal de verbinding smelten terwijl hij zichzelf opwarmt. Deze zelfverhitting is een direct gevolg van het ohmse I²R-vermogensverlies als gevolg van de stroomstroming door de weerstand van de verbinding.

Afbeelding 1: De zekering wordt weergegeven door een van de verschillende schematische symbolen, afhankelijk van welke standaard in gebruik is. (Bron afbeelding: ClipArtKey.com)

Zekeringen zijn verkrijgbaar in vele soorten verpakkingen, zoals de bekende 3AG stijl kleine glazen cassette die ¼ inch in diameter en 1¼ inch lang meet. Voor elke zekering en stroomwaarde geven de leveranciers gedetailleerde grafieken die het verband weergeven tussen de overstroomwaarde en de geaccumuleerde tijd die nodig is om het zekeringselement te laten smelten en zo de stroomtoevoer door de zekering te stoppen. Dit wordt de I²t-classificatie genoemd die de beschikbare thermische energie als gevolg van de stroomafgifte aangeeft en heeft eenheden van ampères²-seconden (A²s).

De zekering is niet de enige circuitbeveiliging die door ontwerpers wordt gebruikt. Er zijn andere passieve apparaten die andere vormen van bescherming bieden door overmatige stroom- of spanningspieken te beperken, te blokkeren, te rangeren of te "crowbarren". Geen enkele van deze biedt echter de duidelijke en onomkeerbare stroomafsluiting van de zekering. Ze vervangen de functie van de zekering niet, maar kunnen worden gebruikt wanneer een zekering niet de juiste beveiligingsoptie is, of om de werking van de zekering aan te vullen wanneer dat technisch gezien zinvol is. Onder de andere bekende circuitbeveiligingen zijn de:

• Metaaloxidevariator (MOV)
• Positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) thermistor
• Transiënte spanningsonderdrukker (TVS) diode
• Gasontladingsbuis (GDT)
• Polymeer PTC resetbare zekering

Net als zekeringen, heeft elk van deze een rol in het bieden van circuitbescherming, maar de basisstroomonderbreking, smeltbare verbinding behoudt zijn rol en functie in veel ontwerpen als gevolg van de combinatie van kenmerken, waaronder consistentie, directe actie en onomkeerbaarheid.

Voorbij het vervangbare smeltlood

Thermische zekeringen worden vaak verondersteld veldvervangbare apparaten te zijn als ze gekoppeld zijn aan een geschikte zekeringhouder of -bus. Dat neemt niet weg dat het mogelijk maken van veldvervanging door de gebruiker vaak onnodig is en voor veel producten onwenselijk kan zijn. Dit geldt voor producten met een lager vermogen zoals mobiele telefoons, settopboxen, kleine batterijladers, AC/DC-wandadapters en speelgoed; apparaten uit het middensegment, waaronder elektrisch gereedschap, industriële controllers en consumentengeneratoren; en zelfs systemen met een hoger vermogen, zoals laders voor elektrische voertuigen (EV's). Overweeg deze scenario's:

• Zekeringen met verschillende classificaties kunnen nodig zijn om verschillende subcircuits van een groter circuit te beschermen, inclusief die met gevoelige signaalpaden, in plaats van het hele product.
• Het apparaat dat wordt gezekerd kan een klein, verzegeld product zijn, zoals een smartphone, waarbij de zekering in de eerste plaats nodig is om de batterij en het laadcircuit te beschermen, en er is geen optie voor de eindgebruiker om toegang te krijgen tot de binnenkant.
• Vanuit veiligheidsoogpunt, tenzij de werkelijke reden voor de doorgebrande zekering bekend is, zoals een monteur die per ongeluk een stroomrail heeft aangeraakt en deze heeft aangesloten op het chassis van de auto, is het vervangen ervan alleen maar omdat het gemakkelijk is om dit te doen in het beste geval tijdverspilling, en in het slechtste geval riskant. Als een zekering bijvoorbeeld deel uitmaakt van een beveiligingscircuit voor een lithium-gebaseerde batterij en zijn oplaadcircuit, is het een kritisch element van die functie. Daarom is het essentieel om de oorzaak van het 'doorslaan' van de zekering te achterhalen in plaats van deze blindelings te vervangen.
• Een zekeringhouder en zijn contacten verhogen de betrouwbaarheid door corrosie, trillingen en andere omgevingsfactoren.
• Tot slot is er de kwestie van de grootte: een zekering die zonder houder wordt gesoldeerd, heeft een kleinere voetafdruk en een lager profiel op de printplaat.

Om kleine, houdervrije zekeringen als SMD's te implementeren en dus gebruik te maken van standaard printplaatpopulatie en soldeerapparatuur, is het noodzakelijk om verder te kijken dan de traditionele zekering met zijn draadachtige smeltlood, met behoud van het zelfverwarmingsprincipe dat smelt en zo de huidige weg opent.

Breed scala aan SMD-zekeringen voldoen aan de uitdagingen van het moderne design

Door gebruik te maken van combinaties van materialen, technologieën, formules en productietechnieken heeft Bourns een familie van SMD-zekeringen ontwikkeld die de thermisch gebaseerde zekeringsfunctie over een breed scala van stromen en bedrijfsspanningen kunnen leveren. De Bourns SinglFuse SMD-zekeringen product portfolio maakt gebruik van zeven verschillende zekeringsconstructie technologieën: dunne film sputteren, dunne folie pc-bord, keramische meerlaags, keramisch holtelaminaat, draadkern, keramische buis, en keramische kubus (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De SinglFuse-familie bestaat uitsluitend uit SMD-zekeringen, maar de implementatie van de vele stroom- en spanningscombinaties die zij biedt, vereist het gebruik van zeven verschillende zekeringtechnologieën. (Bron afbeelding: Bourns)

Deze verscheidenheid aan technologieën en constructiebenaderingen stelt de brede SinglFuse-portfolio in staat om zekeringen aan te bieden met een breed scala aan specificaties voor belangrijke parameters zoals nominale stroom, nominale spanning, breekcapaciteit, I²t en bedrijfstemperatuur. Bovendien zijn de SinglFuse producten UL-, TUV- en VDE-conform en voldoen ze aan de UL 248- en IEC 60127-normen, wat de weg naar algemene productcertificering vergemakkelijkt. Voor automobieltoepassingen waarbij volledige specificaties en een betrouwbare werking over een brede temperatuur vereist zijn, is een van de vele automandaten, of voor andere zware bedrijfsomgevingen, zekeringen die voldoen aan de AEC-Q200, beschikbaar.

Kleine SMD-grootte beperkt de mogelijkheden niet

Er zijn situaties waarin de noodzaak voor kleinere componenten, vooral in SMD-pakketten, beperkingen oplegt aan hun functies of mogelijkheden. Dit is niet het geval met de SinglFuse-apparaten, die verkrijgbaar zijn in verpakkingen van een bijna onzichtbare 0402 (0,040 inch × 0,020 inch; 1,0 × 0,5 millimeter (mm)) bij de lagere stroombereiken tot 3812 (0,150 inch × 0,100 inch; 3,81 × 2,54 mm) voor de zekeringen met een hogere capaciteit, nog steeds een verkleiningsmaat.

In de loop der jaren hebben leveranciers van zekeringen gespecialiseerde versies van smeltloodapparaten ontwikkeld met unieke kenmerken om aan de behoeften van het circuit te voldoen. De SinglFuse-apparaten zijn, gezien deze situatie, beschikbaar met verschillende responskenmerken, waaronder:

• Snel handelen
• Snelwerkende precisie: met nauwere tolerantie op de belangrijkste specificaties
• Trage slag: om een tijdelijke piekstroom te verwerken die de stroomsterkte van de zekering overschrijdt
• Tijdsverschil: laat elektrische piek toe voor een korte tijd vooraleer het echt waait
• Hoge inschakelstroom: voor overmatige aanloopstromen

Merk op dat de specifieke kenmerken van de huidige-tijdprofielen voor deze verschillende "persoonlijkheden" van de zekering op hun respectieve datasheets zijn gedefinieerd en door de ontwerper moeten worden bestudeerd om de beste match met de toepassing te krijgen.

Huidige beoordelingsextremen tonen bereik van de prestaties

Ontwerpers kunnen SMD-zekeringen gebruiken voor een breed scala aan nominale stroomwaarden. De SF-2410FP0062T-2 snelwerkende precisie SMD-zekering is bijvoorbeeld ondergebracht in een keramische buis met een EIA 2410 (6125 metrisch) oppervlak en meet ongeveer 6 mm lang en 2,1 × 2,6 mm aan het rechthoekige uiteinde (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De Bourns SF-2410FP0062T-2 is een snelwerkende precisie SMD-zekering in een rechthoekig pakket. (Bron afbeelding: Bourns)

Deze zekering is gespecificeerd voor 125 volt AC/DC-bedrijf en heeft een nominale waarde van 62 milliamp (mA) samen met een typische I²t-waarde van 0,0012^A2s. Terwijl de top-level samenvattingsspecificatie is dat het binnen vijf seconden opent bij 200% van de nominale stroom, zullen gebruikers waarschijnlijk de prestatiegrafieken willen bestuderen die de pre-arcing-tijd (Afbeelding 4) en de I²t-classificatie (Afbeelding 5), de belangrijkste indicatoren voor de reactietijd van de zekering, kwantificeren. Ontwerpers moeten zich bewust zijn van de IR-spanningsval door de zekering wanneer deze binnen zijn stroombereik werkt vanwege de weerstand van ongeveer 6 Ohm (Ω); deze daling is minder dan 40 millivolts (mV) maximaal.

Afbeelding 4: Het gegevensblad van de SF-2410FP0062T-2 bevat details over de voorlooptijd van de zekering van zeer lage stroom tot het nominale maximum, een parameter die het respons-versus-stroomprofiel van de zekering definieert. (Bron afbeelding: Bourns)

Afbeelding 5: Het datablad van de SF-2410FP0062T-2 toont ook het kritische I²t-profiel voor geaccumuleerde thermische energie op verschillende stroomniveaus. (Bron afbeelding: Bourns)

Een zeer verschillend bereik en prestatieprofiel wordt geboden door de SF-1206S700 langzame zekering (Afbeelding 6), een 7 A-apparaat dat is gespecificeerd om binnen vijf seconden te openen bij 250% van de maximale nominale stroom.

Afbeelding 6: De SF-1206S700 slow blow surface-mount fuse in de Bourns SF-1206S serie is een 7 A apparaat dat is gespecificeerd om te openen binnen vijf seconden op 250% van de maximale nominale stroom (Bron afbeelding: Bourns)

De SF-1206S700 maakt gebruik van een andere verpakking en technologie dan de SF-2410FP-T, en wordt geleverd in een 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) plat pakket van slechts 0,6 mm hoog vanwege de dunne filmconstructie (Afbeelding 7). De weerstand van slechts 7 milliohms (mΩ) zorgt voor een lage IR-daling van iets minder dan 50 mV bij maximale stroom.

Afbeelding 7: Deze uitsparing van de SF-1206S700 slow blow SMD-zekering geeft een hint van de geavanceerde materialen en technologie die nodig zijn om het apparaat te maken. (Bron afbeelding: Bourns)

Terwijl het gegevensblad voor deze zekering grafieken heeft die vergelijkbaar zijn met die van de SF-2410FP-T 62 mA-zekering, heeft deze als langzame zekering ook een "I²T Derating Curve vs Repeater Rush Current"-curve nodig, die de prestaties van een langzame zekering met herhaalde volledige aan/uitschakeling verder definieert (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Trage zekeringen zijn vaak onderhevig aan herhaalde hoge inschakelstroomcycli, dus het SF-1206S700-datablad verduidelijkt het effect van die cycli op het gedrag van de zekeringen. (Bron afbeelding: Bourns)

Het is nuttig voor ontwerpers om verschillende zekeringen te evalueren met betrekking tot hun type, beoordelingen en grootte, maar het is een uitdaging om dit te doen. In tegenstelling tot actieve componenten (bijvoorbeeld op versterkers) of passieve componenten (weerstanden, indicatoren, condensatoren) is een zekering eenmalig en kan deze alleen volledig worden getest door deze te duwen tot een effectieve zelfvernietiging. Daarom is het nuttig om veelvouden van verschillende zekeringswaarden en -types bij de hand te hebben voor de evaluatie.

Om dit proces te vergemakkelijken, biedt Bourns de SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit aan voor het snel testen van prototypes (Afbeelding 9). Het bevat vijf van elk 18 traagwerkende zekeringen (in totaal 90 stuks) in 0402, 0603 en 1206-formaat zekeringen ((1608 tot 3216 metrisch); de soortgelijke SF-FP-LAB1 kit heeft 160 stuks snelwerkende precisie zekeringen (vijf van elk 32 waarden) in 0402 tot 1206 (1005 tot 3216 metrisch) verpakkingen.

Afbeelding 9: Omdat het testen van zekeringen vaak leidt tot zelfvernietiging, vergemakkelijken ontwerpsets zoals deze SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit voor trage zekeringen de taak van de ontwerper om de grootte, de montage, thermische problemen, prestaties en andere problemen te evalueren. (Bron afbeelding: Bourns)

Conclusie

Ondanks hun conceptuele eenvoud zijn thermische zekeringen geavanceerde, passieve elektrische en mechanische componenten gebaseerd op geavanceerde thermische, materiaal- en fabricageoverwegingen. Aangezien circuits en producten krimpen, waardoor het vervangen van een zekering door de gebruiker steeds onpraktischer, onverstandig of zelfs gevaarlijker wordt, is het duidelijk dat er behoefte is aan oppervlaktebevestigingsapparatuur (SMD) zekeringen, die net als elk ander SMD-apparaat worden behandeld. Bovendien vereenvoudigen SMD-zekeringen het montage- en fabricageproces en verminderen ze de gevoeligheid van een ontwerp voor trillingen en corrosie.

Zoals aangetoond biedt de Bourns SinglFuse Serie SMD-zekeringen ontwerpers een breed scala aan overstroombeveiligingen en -types om te voldoen aan de behoeften van de hedendaagse producten en de fabricageprocessen van de pc-kaart.

Verder onderzoek:

1. Tutorial van SinglFuse SMD-zekeringen
2. Bourns SinglFuse SMD-zekeringen
3. Bourns snelwerkende precisie- en tijdvertraagde SinglFuse SMD-zekeringontwerpkits

Referentie

1. IEEE 2007 8e internationale conferentie over elektrische zekeringen en hun toepassingen, "To the origin of fuses"