Szukaj 




Mały element a mimo to wysoki stopień bezpieczeństwa

Bezpieczniki SMD do „prawdziwych” zwarć: nowa konstrukcja o zdolności wyłączania 4000 A

Heinz-Urlich Haas
Kierownik Działu Badań i Rozwoju
SIBA GmbH

W porównaniu z dotychczasowymi 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 wartości wieluset amperów, a w przypadku uszkodzeń, odłączenie uszkodzonych elementów lub urządzeń od sieci. Niniejszy artykuł opisuje zasadę działania tych bezpieczników. [1]
 

Cała rodzina

Bezpieczniki do montażu powierzchniowego, tzw. bezpieczniki SMD, używane są do kontrolowania i wyłączania prądów przetężeniowych w jak najmniejszej przestrzeni. Aby to osiągnąć, do różnorodnych aplikacji stosuje się różne konstrukcje bezpieczników, które zapewniają optymalne wykorzystanie powierzchni dostępnej na płytce drukowanej. Tabela 1 zawiera przegląd najczęściej stosowanych na świecie bezpieczników SMD.

Typ  Wymiary  Charakterystyka  Napięcie znamionowe  Prąd znamionowy  Zdolność  wyłączania 
SMD chip  0402 do 1206 ultraszybkie  32 do 63 V  250 mA do 5A  50A 
Blokowy SMD 2,6 x 6,1 mm szybkie i zwłoczne  125 V  62 mA do 15A  50A 
Blokowy SMD  4,5 x 8 mm  szybkie i zwłoczne  250 V  32 mA do 6,3A  100A 
Cylindryczny SMD  5 x 20 mm  szybkie i zwłoczne  250 V  1 do 6,3 A  1500A 
 
Tabela 1: Przegląd bezpieczników SMD

Najmniejszymi członkami rodziny bezpieczników SMD są bezpieczniki chipowe (Rysunek 1a). Przy szerokości np. poniżej 1 mm są one używane w telefonach komórkowych, golarkach oraz innych małych urządzeniach. Działają jako „kotwice bezpieczeństwa” w przypadku uszkodzeń w akumulatorach litowych. Typowe napięcia znamionowe to 10V, 20V, 30V oraz 40V prądu przemiennego lub prądu stałego.

Bezpieczniki na napięcie 100V oraz powyżej, są nieznacznie większe. Zostały zaprojektowane jako bezpieczniki blokowe (Rysunek 1b), w większości przypadków mają one ceramiczną obudowę i w porównaniu z bezpiecznikami chipowymi są „trudne do przeoczenia” ponieważ ich krańcowy wymiar wynosi np. 6 mm. Ta grupa obejmuje również bezpieczniki o napięciu znamionowym 250V. Dzięki maksymalnej zdolności wyłączania 100 A przy 250V mogą stanowić zabezpieczenie zwarciowe w obwodach wtórnych.
 
Jeżeli chodzi o zabezpieczenie w przypadku „prawdziwych zwarć” rzędu kilkuset amperów, to do tej pory dostępne były bezpieczniki cylindryczne o wymiarach 5mm x 20mm (Rysunek 1c) specjalnie przygotowane do montażu powierzchniowego. W porównaniu ze standardową konstrukcją, stabilność termiczna wymagana przy lutowaniu rozpływowym została zapewniona poprzez zastosowanie w bezpieczniku lutowia, topniejącego w wyższych temperaturach. Pokrywy stykowe zamiast być niklowane, często są złocone. Te bezpieczniki bez żadnych problemów są w stanie wyłączyć prąd 1500A, zgodnie ze znormalizowaną klasyfikacją „H”, nawet przy napięciu sieci 230V; to właśnie dlatego są one najchętniej używane w obwodach pierwotnych zespołów zasilających. 
 
 
 
Rysunek 1: Podstawowe typy bezpieczników SMD
 

Nowy, duży brat

Do tej pory brakowało bezpiecznika o wymienionych wcześniej właściwościach technicznych, które nie ulegałyby pogorszeniu podczas montażu. Teraz ta luka może zostać wypełniona przez zaprezentowany tutaj nowo opracowany prostopadłościenny bezpiecznik o napięciu znamionowym 250 V, który jest w stanie przerwać prądy wyłączeniowe przekraczające 1500 A. 
 
To wszystko osiągnięto za pomocą bezpiecznika o wymiarach 4,5 mm x 16 mm (Rysunek 2). Z jednej strony bezpiecznik ten jest dużo większy niż bezpiecznik SMD chipowy, z drugiej strony wciąż jeszcze jest mniejszy od bezpiecznika SMD cylindrycznego o podobnych parametrach technicznych.

Do tej pory do różnorodnych zastosowań używano głównie bezpieczników 5mmx20mm z końcówkami do lutowania (Rysunek 2). W porównaniu z dotychczasową konstrukcją nowy, prostopadłościenny bezpiecznik SMD w niemal wszystkich przypadkach charakteryzuje się znacznymi zaletami podczas procesu montażu . Ponadto występuje pozytywny „efekt uboczny”: ponieważ prąd znamionowy jest zawsze łatwy do odczytania, nie musimy już posługiwać się trudnymi do rozszyfrowania kodami barwnymi na bezpiecznikach.

Zasada budowy tego bezpiecznika to nic nowego: składa się on z tych samych elementów, z których zbudowane są 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 wysokich temperaturach, które jednocześnie zapewnia przyczepność między pokrywami stykowymi i korpusem izolacyjnym.

 
Rysunek 2: Bezpiecznik SMD 250V o dużej zdolności wyłączania.

Wszystkie te części muszą być przede wszystkim odporne na wysokie temperatury występujące podczas lutowania rozpływowego. Konstrukcja została tak zaprojektowana aby była odporna na temperaturę nagrzewania wstępnego wzrastającą od 150oC do 200oC w czasie od 60s do 120s, jak również na temperaturę lutowania rozpływowego większą niż 217oC przez 60 do 90s, z temperaturą szczytową 250oC przez około 30s. 
 
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; to czyni je odpornymi na prądy udarowe załączania po pierwotnej stronie transformatora. Z drugiej strony, w przypadku 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 prądu przemiennego. Ponieważ jednak wiadomo że zdarzają się prądy zwarciowe w zakresie do 4000 A, zostało to uwzględnione przy projektowaniu bezpieczników. W ten sposób bezpiecznik ten chroni przed wszelkimi potencjalnymi prądami zwarciowymi w urządzeniu i jest on odpowiedni do wszelkich zastosowań 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 tego leży w zdolności bezpieczników do wyłączania wszystkich prądów zwarciowych już na etapie ich wzrastania – tzn. działają one metodą „ograniczania prądu”. Zostało to zilustrowane na Rysunku 3, na przykładzie prądu zwarciowego 4000 A.  
 
 
Rysunek 3: Efekt ograniczenia prądu przez bezpieczniki 
 
Jeżeli w zwartym obwodzie nie byłby zastosowany bezpiecznik, prąd 4000 A płynąłby przez kilka półfali dopóki nie zadziałałoby inne urządzenie ochronne, np. domowy wyłącznik nadmiarowo-prądowy. Jednak wtedy byłoby niestety za późno dla urządzenia, w którym nastąpiło zwarcie; pomijając inne szkody, przypadkowy łuk mógłby pozostawić trwałe ślady.
 
W przypadku zastosowania na płytce drukowanej bezpiecznika, w ogóle nie dojdzie do wspomnianej sytuacji. Z powodu dużej gęstości prądu występującej w czasie wyłączania, cienki drut topikowy topnieje i paruje w ciągu kilku milisekund.
 
Prąd znamionowy Całka przedłukowa  Prąd ograniczony  Czas przedłukowy  Czas wyłączania 
 In  I2t  Id  ts  ts
 1 A  4,5 A2s  200 A 0,2 ms  0,5 ms 
 10 A  280 A2s  1100 A 0,65 ms  1,5 ms 
 
Tabela 2: Prądy ograniczone oraz czasy wyłączania dla 4000 A

Podczas tego procesu cząstki metalu topika kondensują na ziarenkach piasku. W rezultacie powstaje mały 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 przedstawiono 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 do 200 A prąd w czasie jego wzrostu. 
 

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 6,3A, bezpieczniki są nawet przystosowane do napięcia pracy 277 V , np. do zastosowań 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 wymagań normy IEC 60079-11 w tym zakresie, dobrana została odpowiednia odległość między pokrywami, wynosząca około 10 mm. W ten sposób bezpieczniki dodatkowo spełniają wymagania północnoamerykańskich jednostek certyfikujących [4].

Bezpieczniki te mogą być stosowane we wszystkich przypadkach, gdzie występują duże spodziewane prądy zwarciowe przy napięciu sieci 230 V – tzn. np. w konwerterach sygnałów, 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.

 
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” 
 

Klauzula odpowiedzialności:

Bezpieczniki opisane w niniejszym dokumencie zostały opracowane, aby pełnić funkcje ochronne jako część urządzenia lub całej instalacji. System istotny dla bezpieczeństwa obejmuje zazwyczaj urządzenia kontrolne, czujniki, jednostki oceny oraz koncepcje 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 niniejszej publikacji nie wykracza poza ogólne przepisy zawarte w Ogólnych Warunkach Dostaw firmy SIBA.
 

Stan techniki/normy:

Technologie oraz normy techniczne są stale udoskonalane. Niniejsza publikacja odwołuje się do stanu techniki ogólnie przyjętego w momencie druku. Korzystając z zawartych tutaj informacji prosimy wziąć to pod uwagę.  
Szukaj produktu
Numer katalogowy

Szukaj!
O produktach
Oprócz bieżących informacji na temat zmian w naszej firmie, oferujemy także materiały dotyczące świata bezpieczników: Nasze artykuły pozwalają spojrzeć na oferowane przez nas produkty oczami naszych klientów.
Zabezpieczanie Systemów Fotowoltaicznych
Dla Ullricha Goray'a, Friedhelma Lammers'a oraz Franka Blichmann'a, energia elektryczna pochodzenia...  więcej

Ochrona danych osobowych/Pliki cookies
Cookies: How we use themPliki cookies: Do czego są wykorzystywane
oraz jak je zablokować.

Korzystanie z witryny siba-bezpieczniki.pl oznacza zgodę na wykorzystywanie plików cookie - niewielkich plików tekstowych zapisywanych w folderze przegladarki, na dysku komputera.
Pliki cookies służą wyłącznie do usprawnienia jakości i wydajności witryny siba-bezpieczniki.pl; dane uzyskane na ich podstawie nie są przekazywane osobom trzecim.
Więcej informacji na temat plików cookies oraz sposobów ich ograniczenia, można znaleźć w zakładce Polityka plików cookies.

Klauzula informacyjna dla Klientów SIBA Polska Sp. z o.o. Pobierz.