Utilizzare i fusibili SMD per facilitare il layout, ridurre le dimensioni del prodotto e migliorare la robustezza

Il fusibile ad attivazione termica è il più vecchio dispositivo di protezione dei circuiti ed è tuttora ampiamente utillizzato. È ben noto, affidabile, costante e approvato dagli standard normativi. Tuttavia, con l'aumento della complessità e la riduzione delle dimensioni dei prodotti finali, i progettisti hanno bisogno di un'alternativa ai fusibili e portafusibili sostituibili dall'utente per ridurre il fattore di forma, semplificare l'assemblaggio, migliorare la robustezza e aumentare ancor più la sicurezza.

I progettisti possono invece utilizzare dispositivi a montaggio superficiale (SMD) senza compromessi prestazionali. I fusibili SMD impiegano diverse tecnologie per fornire una fusione termica insieme a un'intera gamma di caratteristiche necessarie, come l'intervento rapido e l'azione ritardata.

Questo articolo fornirà una breve visione d'insieme sulla fusione, sulla protezione dei circuiti e sulle considerazioni progettuali. Poi introdurrà e descriverà i fusibili SMD di Bourns, le loro caratteristiche principali e il modo in cui vengono usati.

Il semplice fusibile resiste al tempo che passa

Il fusibile tradizionale con la sua piastrina fusibile ad attivazione termica ha circa 150 anni ed è il più noto e diretto tipo di dispositivo di protezione dei circuiti. È affidabile e semplice, con prestazioni costanti e una funzione unica di protezione contro gli eventi di sovracorrente. La protezione avviene quando apre in modo inequivocabile e irrevocabile il percorso del circuito e interrompe il flusso di corrente quando il livello di corrente supera il livello determinato dal progetto del fusibile.

Un fusibile tradizionale è rappresentato da vari simboli schematici a seconda dello standard grafico ed è costituito da un filo metallico progettato con precisione in termini di concezione, dimensioni e materiali (Figura 1). Quando la corrente che passa attraverso questa piastrina fusibile supera un limite prestabilito per un periodo sufficiente, la piastrina si fonde man mano che si riscalda. Questo auto-riscaldamento è una conseguenza diretta della perdita di energia ohmica I²R dovuta al flusso di corrente attraverso la resistenza della piastrina.

Figura 1: Il fusibile è rappresentato da diversi simboli schematici a seconda dello standard utilizzato. (Immagine per gentile concessione di ClipArtKey.com)

I fusibili sono disponibili in svariati contenitori, come la ben nota cartuccia di vetro di piccole dimensioni in stile 3AG (6,35 x 31,80 mm). Per ogni classe di fusibile e portata di corrente, i fornitori forniscono grafici dettagliati che mostrano la relazione tra il valore di sovracorrente e il tempo accumulato necessario affinché l'elemento fusibile si fonda e quindi arresti il flusso di corrente attraverso il fusibile. Questa è la classe I²t che indica l'energia termica disponibile risultante dal flusso di corrente espressa in unità di ampere²-secondi (A²s).

Il fusibile non è l'unico dispositivo di protezione dei circuiti utilizzato. Esistono altri dispositivi passivi che forniscono altre forme di protezione limitando, bloccando, deviando o minimizzando gli eccessivi picchi di corrente o di tensione. Nessuno di questi, tuttavia, offre un'interruzione di corrente netta e irreversibile del fusibile. Non sostituiscono la funzione del fusibile, ma possono essere utilizzati laddove un fusibile non sia una scelta di protezione appropriata o per integrare l'azione del fusibile laddove abbia senso dal punto di vista tecnico. Tra gli altri ben noti dispositivi di protezione dei circuiti vi sono:

• Varistore metallo-ossido (MOV)
• Termistore con coefficiente di temperatura positivo (PTC)
• Diodo soppressore di tensioni transitorie (TVS)
• Tubo a scarica di gas (GDT)
• Fusibile ripristinabili PTC polimerico

Come i fusibili, ognuno di questi ha un ruolo nella protezione dei circuiti, ma la piastrina fusibile di rottura di base mantiene il suo ruolo e la sua funzione in molti progetti grazie alla sua combinazione di caratteristiche tra cui la ripetibilità, l'azione diretta e l'irreversibilità.

Al di là della piastrina fusibile sostituibile

I fusibili termici sono spesso considerati unità sostituibili sul campo se abbinati a un portafusibili o uno zoccolo adeguato. Detto questo, la sostituzione sul campo da parte dell'utente è spesso inutile e può essere indesiderabile per molti prodotti. Ciò vale per prodotti a bassa potenza come telefoni cellulari, set-top box, piccoli caricabatterie, adattatori c.a./c.c. da parete e giocattoli; dispositivi di fascia media, tra cui utensili elettrici, controller industriali e generatori consumer e anche sistemi di potenza più elevata come i caricabatterie per veicoli elettrici (EV). Si considerino questi scenari:

• Per proteggere i diversi sottocircuiti di un circuito più grande, compresi quelli con percorsi di segnale sensibili piuttosto che l'intero prodotto, potrebbero essere necessari fusibili di diversa potenza.
• L'unità che viene fusa può essere un prodotto piccolo e sigillato, come uno smartphone, dove il fusibile è necessario principalmente per proteggere la batteria e il suo circuito di ricarica e non è data all'utente la possibilità di accedere ai componenti interni.
• Dal punto di vista della sicurezza, a meno che non si conosca la vera ragione per cui un fusibile è bruciato, come nel caso in cui un meccanico abbia inavvertitamente toccato un rail di alimentazione e lo abbia collegato al telaio dell'auto, sostituirlo solo perché è facile, alla meglio è una perdita di tempo e alla peggio è rischioso. Ad esempio, se un fusibile fa parte di un circuito di protezione per una batteria al litio e il suo circuito di carica, è un elemento critico di questa funzione. Pertanto, è essenziale trovare la causa alla radice del problema, anziché sostituirlo alla cieca.
• Un portafusibili e i suoi contatti aumentano i problemi di affidabilità dovuti alla corrosione, alle vibrazioni e ad altri fattori ambientali.
• Infine, c'è il problema delle dimensioni: un fusibile saldato in posizione senza supporto avrà un ingombro minore e un profilo più basso sulla scheda CS.

Per implementare piccoli fusibili senza supporto come le versioni SMD e quindi utilizzare apparecchiature standard di popolamento e saldatura delle schede, è necessario guardare oltre il fusibile tradizionale con piastrina sottile, senza venire meno al principio di auto-riscaldamento che fonde e quindi apre il percorso della corrente.

L'ampia gamma di fusibili SMD risponde alle sfide della progettazione moderna

Utilizzando varie combinazioni di materiali, tecnologie, formulazioni e tecniche di produzione, Bourns ha sviluppato una famiglia di fusibili SMD capace di fornire la funzione del fusibile termico su un ampio intervallo di correnti e tensioni di funzionamento. Il portafoglio di prodotti fusibili SMD SinglFuse di Bourns adotta sette tecnologie di costruzione: polverizzazione ionica a film sottile, scheda CS a film sottile, multistrato ceramico, laminato a cavità ceramica, anima metallica, tubo ceramico e cubo ceramico (Figura 2).

Figura 2: La famiglia SinglFuse è composta esclusivamente da fusibili SMD, ma l'implementazione delle numerose combinazioni di corrente e tensione che offre richiede l'uso di sette distinte tecnologie. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Questa varietà di tecnologie e di approcci costruttivi consente all'ampio portafoglio SinglFuse di offrire fusibili con un'ampia gamma di specifiche su parametri chiave quali corrente nominale, tensione nominale, capacità di interruzione, I²t e temperatura di funzionamento. Inoltre, i prodotti SinglFuse sono conformi alle norme UL, TUV e VDE e agli standard UL 248 e IEC 60127, il che facilita il percorso verso la certificazione generale del prodotto. Per le applicazioni automotive in cui sono richieste specifiche complete e un funzionamento affidabile su un ampio intervallo di temperatura, è disponibile uno dei molti mandati automotive o, per altri ambienti operativi difficili, sono disponibili fusibili conformi allo standard AEC-Q200.

Le dimensioni SMD compatte non limitano le capacità

Vi sono situazioni in cui è fondamentale per i componenti più piccoli, specialmente in contenitori SMD, imporre limiti alle loro funzioni o capacità. Questo non vale nel caso dei dispositivi SinglFuse, che sono disponibili in vari contenitori, dal quasi invisibile 0402 (1,0 × 0,5 mm) alle gamme per correnti inferiori fino a 3812 (3,81 × 2,54 mm) per i fusibili di maggiore capacità, sempre comunque molto compatti.

Nel corso degli anni, i fornitori di fusibili hanno sviluppato versioni specializzate di fusibili in piastrina con caratteristiche uniche per soddisfare le esigenze dei circuiti. Per riconoscere questa situazione, i dispositivi SinglFuse sono disponibili con diverse caratteristiche di risposta, tra cui:

• Intervento rapido
• Precisione di intervento rapido: con una tolleranza più stretta sulle specifiche chiave
• Azione ritardata: per gestire una corrente di picco temporanea che supera la corrente nominale del fusibile
• Ritardo: accetta un breve lasso di tempo per le sovratensioni elettriche prima di bruciare
• Elevata corrente di inserzione: per correnti di spunto eccessive

Si noti che i dati specifici sui profili corrente-tempo per queste diverse "personalità" del fusibile sono definiti nelle rispettive schede tecniche e dovrebbero essere studiati dal progettista per la migliore corrispondenza con l'applicazione.

Gli estremi di corrente nominale mostrano una gamma di prestazioni

I progettisti possono utilizzare i fusibili SMD in un ampio intervallo di corrente nominale. Ad esempio, il fusibile SMD di precisione a intervento rapido SF-2410FP0062T-2 è alloggiato in un tubo ceramico con un'impronta EIA 2410 (6125 metrico) e misura circa 6 mm di lunghezza e 2,1 × 2,6 mm sull'estremità rettangolare (Figura 3).

Figura 3: SF-2410FP0062T-2 di Bourns è un fusibile SMD di precisione a intervento rapido in un contenitore rettangolare. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Questo fusibile è specificato per il funzionamento a 125 V c.a./c.c. e una corrente nominale di 62 mA, oltre a un valore nominale tipico I²t di 0,0012 A²s. Mentre la specifica di riepilogo di primo livello indica che si apre entro cinque secondi al 200% della corrente nominale, si dovranno studiare i grafici delle prestazioni che quantificano la durata di pre-arco (Figura 4) e la classe I²t (Figura 5), indicatori chiave del tempo di risposta del fusibile. I progettisti devono fare attenzione alla caduta di tensione IR attraverso il fusibile quando opera all'interno della corrente nominale, a causa della sua resistenza di circa 6 Ω: questa caduta è inferiore a 40 mV al massimo.

Figura 4: La scheda tecnica SF-2410FP0062T-2 include dettagli sulla durata di pre-arco del fusibile da una corrente molto bassa fino al suo massimo valore nominale, un parametro che definisce il profilo di risposta-corrente del fusibile. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Figura 5: La scheda tecnica SF-2410FP0062T-2 mostra anche il profilo I²t critico per l'energia termica accumulata a diversi livelli di corrente. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Un profilo di prestazioni e una gamma molto differenti sono offerti dal fusibile ad azione ritardata SF-1206S700 (Figura 6), un dispositivo da 7 A che si apre entro cinque secondi al 250% della massima corrente nominale.

Figura 6: SF-1206S700 è un fusibile ad azione ritardata a montaggio superficiale della serie SF-1206S di Bourns, un dispositivo da 7 A specificato per l'apertura entro cinque secondi al 250% della massima corrente nominale (Immagine per gentile concessione di Bourns)

SF-1206S700 utilizza un contenitore e una tecnologia diversa rispetto a SF-2410FP-T, il contenitore piatto 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) che misura appena 0,6 mm di altezza grazie alla sua struttura a film sottile (Figura 7). La resistenza di soli 7 mΩ assicura una bassa caduta IR di poco meno di 50 mV alla corrente massima.

Figura 7: Questa sezione trasversale di un fusibile SMD ad azione ritardata SF-1206S700 mostra i materiali e la tecnologia impiegati nella realizzazione del dispositivo. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Mentre la scheda tecnica di questo fusibile ha dei grafici simili a quelli del fusibile a 62 mA SF-2410FP-T, come fusibile ad azione ritardata ha bisogno anche di una curva "di riduzione delle prestazioni I²t in rapporto alla corrrente di inserzione del ripetitore" che definisce ulteriormente le prestazioni del fusibile ad azione ritardata con ripetuti cicli completi di accensione e spegnimento del circuito (Figura 8).

Figura 8: I fusibili ad azione ritardata sono spesso soggetti a ripetuti cicli di alta corrente di inserzione, per cui la scheda tecnica SF-1206S700 chiarisce l'effetto di questi cicli sul comportamento dei fusibili. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

È bene che i progettisti valutino attentamente i diversi fusibili in base al tipo, alle classi e alle dimensioni, ma non è sempre facile. A differenza dei componenti attivi (come gli amplificatori operazionali) o passivi (resistori, induttori, condensatori), un fusibile è un dispositivo unico e può essere testato completamente solo spingendolo ad autodistruggersi. Di conseguenza, è utile avere a portata di mano vari fusibili di valori e tipi diversi ai fini della valutazione.

Per facilitare questo processo, Bourns offre il kit SinglFuse SMD FuseLab SF-SP-LAB1 per testare velocemente i prototipi (Figura 9). Contiene cinque pezzi di ciascuno dei 18 fusibili ad azione ritardata (per un totale di 90 pezzi) in contenitori 0402, 0603 e 1206 (1608 - 3216 metrico); il kit simile SF-FP-LAB1 ha 160 fusibili di precisione a intervento rapido (cinque pezzi di ciascuno dei 32 valori) in contenitori da 0402 a 1206 (1005 - 3216 metrico).

Figura 9: Poiché i test spesso portano i fusibili ad autodistruggersi, i kit di progettazione come il kit SinglFuse SMD FuseLab SF-SP-LAB1 per fusibili ad azione ritardata semplificano al progettista il compito di valutare le dimensioni, il montaggio, i problemi termici, le prestazioni e altro. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Conclusione

Nonostante la loro semplicità concettuale, i fusibili termici sono componenti passivi elettrici e meccanici sofisticati basati su considerazioni avanzate di tipo termico, sui materiali e sulla fabbricazione. Poiché i circuiti e i prodotti tendono alla miniaturizzazione, rendendo la sostituzione di un fusibile da parte dell'utente sempre più difficile, imprudente o addirittura pericolosa, è evidente che siano necessari fusibili a montaggio superficiale (SMD), che vengono gestiti come qualsiasi altro dispositivo SMD. Inoltre, i fusibili SMD semplificano il processo di assemblaggio e di produzione e riducono la suscettibilità di un progetto alle vibrazioni e alla corrosione.

Come mostrato, la serie di fusibili SMD SinglFuse di Bourns offre ai progettisti un'ampia gamma di intervalli di protezione dalle sovracorrenti e di tipologie per soddisfare le esigenze dei prodotti odierni e dei processi di fabbricazione delle schede CS.

Altri studi:

1. Tutorial sui fusibili SMD SinglFuse
2. Fusibili SMD SinglFuse di Bourns
3. Kit di progettazione di fusibili SMD SinglFuse ritardati e di precisione a intervento rapido di Bourns

Riferimento

1. IEEE 2007 - 8ª Conferenza internazionale sui fusibili elettrici e le loro applicazioni "Alle origini dei fusibili"