Предохранители SMD производства Siba — маленькая деталь, высокая безопасность

Автор: Хайнц-Ульрих Хаас, руководитель исследований и разработок компании SIBA GmbH & Co KG

Все семейство

Предохранители для поверхностного монтажа, типа SMD, применяются, когда речь заходит об осуществлении контроля и разрыва максимального тока в минимально возможном пространстве. Для самых разнообразных применений существуют различные конструкции, оптимально использующие место, предоставляемое печатной платой. Табл. 1 дает обзор наиболее часто применяемых типов предохранителей SMD, предлагаемых по всему миру.

Самыми мелкими из семейства предохранителей SMD являются чипы (рис. 1a). При ширине, не превышающей 1 мм, они применяются в мобильных телефонах, электробритвах и других мелких устройствах. Они оказываются «якорем спасения», когда дело доходит до повреждений литиевой батареи. Типичным напряжением для них может быть 10, 20, 30 или 40 В как переменного (AC), так и постоянного (DC) тока.

Предохранители на рабочее напряжение 100 В и выше уже несколько больше. В виде блочных предохранителей SMD (рис. 1b) они имеют, как правило, керамический корпус, а при габаритном размере, например, 6 мм их «нельзя не заметить» в сравнении с чип-предохранителями. К этой группе относятся и предохранители на номинальное напряжение 250 В. При максимальной отключающей способности 100 A при напряжении 250 В они в состоянии играть роль защиты от коротких замыканий во вторичных цепях.

Для защиты при «правильном» коротком замыкании в несколько сотен ампер до сих пор применялись специально подготовленные цилиндрические предохранители размером 5 x 20 мм (рис. 1c) для поверхностного монтажа. Применение более тугоплавкого припоя внутри предохранителя, по сравнению со стандартным исполнением, обеспечивает температурную стойкость, необходимую для процесса пайки оплавлением. Вместо никелирования контактных колпачков часто применяется позолота. Эти предохранители позволяют без проблем отключать токи 1500 A, соответствующие стандартной классификации «H», даже при напряжении сети 230 В, поэтому они применяются, преимущественно, в первичной цепи блоков питания.

Рис. 1a. Чип-предохранитель SMD

Рис. 1b. Блочный предохранитель SMD

Рис. 1c. Цилиндрический предохранитель SMD с позолоченными контактами

Рис. 1. Основные типы предохранителей SMD

Новый большой брат

Чего до сих пор недоставало, так это предохранителей с указанными параметрами, которые при работе с ними не «катаются». Этот пробел может быть теперь заполнен представленным здесь предохранителем прямоугольной конструкции на номинальное напряжение 250 В, который способен отключать токи, даже превышающие 1500 A.

Все это достигается предохранителем в габаритах 4,5 x 16 мм (рис. 2). При этом, с одной стороны, он существенно больше, нежели чип-предохранитель SMD, с другой стороны, он все-таки несколько меньше цилиндрического предохранителя SMD с сопоставимыми характеристиками.

До сих пор во многих случаях применяются предохранители 5 x 20 мм для проводного монтажа (рис. 2). Новые прямоугольные предохранители SMD по сравнению с этим вариантом дают почти во всех случаях существенные преимущества для производственного процесса. Замечательный побочный эффект: с трудом расшифровываемое цветовое кодирование предохранителей больше не требуется, поскольку всегда отчетливо видна надпись с расчетным током. Конструктивный принцип такого предохранителя не нов. В нем применяются те же материалы, что и в используемых десятилетиями цилиндрических предохранителях: снаружи видна керамическая трубка и контактные колпачки, герметично закрывающие пространство разрыва цепи. Для обеспечения контакта с плавким проводником внутри предохранителя применяется тугоплавкий припой, который, одновременно, обеспечивает крепление контактных колпачков к изолирующему корпусу.

Рис. 2: Предохранитель SMD 250 В с высокой отключающей способностью

Наконец, все это должно выдерживать высокие температуры пайки оплавлением. Конструкция рассчитана на температуру предварительного нагревания от 150 до 200 °C в течение 60–120 с и температуру пайки оплавлением > 217 °C от 60 до 90 с при пиковом значении температуры 250 °C в течение примерно 30 с.

В соответствии с нормами VDE 0820 часть 4, являющимися стандартом для предохранителей SMD, последние обладают инерционной характеристикой (T), что означает их срабатывание при десятикратном номинальном токе за время 10–100 мс. Это делает их устойчивыми к пусковым пикам на первичной стороне трансформатора. При перегрузке, напротив, они срабатывают относительно быстро: двукратный расчетный ток они обнаруживают и прерывают уже примерно спустя минуту. [2]

И, наконец, самое главное: предохранители обладают «высокой отключающей способностью», обозначаемой буквой «H». При этом они способны отключать ток 1500 A при напряжении AC 250 В. Поскольку, как известно, короткие замыкания могут возникать и в диапазоне до 4000 A, эта величина учитывается уже при разработке предохранителей. Тем самым перекрываются все представляющие интерес аппаратные короткие замыкания, и предохранитель оказывается применим во всех случаях в первичной цепи блока питания.

«Правильное» короткое замыкание

Каким образом, однако, столь мелкая деталь может «вынести» ток короткого замыкания 4000 A? Объяснение заключается в свойстве плавких предохранителей отключать токи короткого замыкания уже на этапе нарастания тока — они действуют, «ограничивая ток». На рис. 3 это поясняется на примере тока короткого замыкания 4000 A.

Рис. 3: Токоограничивающее действие предохранителей

Легенда:

• I_k — свободный ток короткого замыкания (эффективное значение)
• I_d — ток, ограниченный предохранителем (мгновенное значение)
• t_s — время плавления
• t_a — время отключения

Если бы предохранитель не был бы включен в контур короткого замыкания, то ток в 4000 A протекал бы в течение нескольких полуволн, пока отключение бы не было выполнено другим защитным органом, например, бытовым автоматическим выключателем. Для прибора, в котором возникло короткое замыкание, это было бы уже слишком поздно: возникшая дуга уже оставила бы «свои следы», не говоря уже о худших последствиях.

Предохранитель на монтажной плате призван это предотвратить. При отключении, вследствие высокой плотности тока, тонкий плавкий проводник в предохранителе плавится и испаряется в течение нескольких миллисекунд.

Частички металла плавкого проводника конденсируются при этом на зернышках песка. Возникает маленькая электрическая дуга, сохраняющаяся до тех пор, пока смесью кварцевого песка и металла не будет образован изоляционный промежуток. Происходит токоограничивающее отключение: плавкий проводник разрывает аварийный ток еще до достижения максимума полуволны тока.

В таблице 2, для примера, сопоставлены параллельно максимальные ожидаемые пропускаемые токи и времена срабатывания предохранителей на расчетные токи 1A и 10 A. Здесь предохранитель на 1 A отключает ток короткого замыкания 4000 A за время 0,5 мс и ограничивает возрастание тока величиной 200 A.

Что можно с этим сделать?

Ну, конечно, их можно, наверно, … «штабелировать», они ведь не могут укатиться. Автор извиняется за эту плоскую шутку. Разумеется, задачей предохранителей SMD является защита, например, первичного контура блоков питания. При максимальном расчетном токе 10 A они могут эффективно обеспечивать защиту блоков питания высоких мощностей. Предохранители, вплоть до расчетного тока 6,3 A, ориентированы на рабочее напряжение до 277 В, то есть на применение в США, и, разумеется, имеют в связи с этим соответствующую сертификацию UL. [3]

Уже при разработке предохранителей предусматривалось, что они могут применяться также и во взрывозащищенной зоне. Чтобы отвечать требованиям основного стандарта для такой зоны, IEC 60079-11, было выбрано достаточное расстояние между контактными колпачками, в среднем 10 мм. Тем самым, одновременно, предохранитель отвечает требованиям североамериканских органов технического надзора. [4]

Еще одно применение он находит повсюду, где при напряжении сети 230 В приходится считаться с высокими токами короткого замыкания, — то есть, например, в сетевых адаптерах, в системах управления, на датчиках, в измерительных стендах, в системах взрывозащиты, на интерфейсах, в контроллерах. Более того, выбор расчетного постоянного тока 1500 A при напряжении 250 В DC превращает такой предохранитель в универсальный.

Литература

1. www.siba.de
2. DIN VDE 60127-4 (VDE 0820-4) Geräteschutzsicherungen – Teil 4: Welteinheitliche modulare Sicherungseinsätze (UMF) – Bauarten für Steck- und Oberflächenmontage
3. www.ul.com
4. IEC 60079-11: 2006 bzw. DIN IEC 60079-11 (VDE 0170-7) Normentwurf 2008-04: Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 11. Geräteschutz durch Eigensicherheit «i»