Verwendung von SMD-Sicherungen zur Vereinfachung des Layouts, Reduzierung der Produktgröße und Erhöhung der Robustheit

Die thermisch aktivierte Sicherung ist der älteste Schaltungsschutz und immer noch weit verbreitet. Sie ist gut verstanden, zuverlässig, konsistent und durch regulatorische Standards anerkannt. Da die Endprodukte jedoch immer komplexer und kleiner werden, benötigen Entwickler eine Alternative zu den vom Benutzer austauschbaren Sicherungen und Sicherungshaltern, um den Formfaktor zu reduzieren, die Montage zu vereinfachen, die Robustheit zu verbessern und die Sicherheit weiter zu erhöhen.

Statt üblicher Bauteile können Entwickler oberflächenmontierbare Bauelemente (SMDs) ohne Leistungseinbußen verwenden. SMD-Sicherungen verwenden verschiedene Technologien, um eine thermisch basierte Sicherung zusammen mit der gesamten Bandbreite der erforderlichen Sicherungseigenschaften, wie z. B. flink und träge, zu bieten.

Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in die Themen Absicherung, Stromkreisschutz und Designüberlegungen. Anschließend werden SMD-Sicherungen von Bourns vorgestellt und beschrieben, einschließlich ihrer Haupteigenschaften und ihrer Anwendung.

Die Basissicherung bleibt bestehen

Die traditionelle Sicherung mit ihrem thermisch aktivierten Schmelzeinsatz ist etwa 150 Jahre alt und ist die bekannteste und direkteste Art des Schaltungsschutzes. Sie ist zuverlässig und einfach zu verstehen, mit gleichbleibender Leistung in ihrer einzigen Funktion, dem Schutz gegen Überstromereignisse. Sie tut dies, indem sie den Stromkreispfad eindeutig und unwiderruflich öffnet und den Stromfluss unterbricht, wenn der Strompegel den durch die Konstruktion der Sicherung festgelegten Wert überschreitet.

Eine herkömmliche Sicherung wird je nach grafischem Standard durch verschiedene schematische Symbole dargestellt und besteht aus einem Metalldraht, der in Design, Abmessungen und Materialien genau konstruiert ist (Abbildung 1). Wenn der Strom, der durch diesen Schmelzdraht fließt, einen voreingestellten Grenzwert für eine ausreichende Zeit überschreitet, schmilzt das Metall durch Selbsterhitzung. Diese Selbsterwärmung ist eine direkte Folge der ohmschen I²R-Verlustleistung aufgrund des Stromflusses durch den Widerstand der Verbindung.

Abbildung 1: Die Sicherung wird durch eines von mehreren Schaltungssymbolen dargestellt, je nachdem, welche Norm verwendet wird. (Bildquelle: ClipArtKey.com)

Sicherungen sind in vielen Gehäusetypen erhältlich, wie z. B. die bekannte kleine Glaspatrone im 3AG-Stil, die ¼ Zoll im Durchmesser und 1¼ Zoll lang ist. Für jede Sicherung und jeden Nennstrom stellen die Hersteller detaillierte Diagramme zur Verfügung, die das Verhältnis zwischen dem Überstromwert und der akkumulierten Zeit zeigen, die erforderlich ist, bis das Sicherungselement schmilzt und somit den Stromfluss durch die Sicherung stoppt. Dies wird als I²t-Wert bezeichnet und gibt die verfügbare thermische Energie an, die aus dem Stromfluss resultiert und hat die Einheit Ampere²·Sekunden (A²s).

Die Sicherung ist nicht die einzige Schaltungsschutzkomponente, die von Entwicklern verwendet wird. Es gibt andere passive Komponenten, die andere Formen des Schutzes bieten, indem sie übermäßige Strom- oder Spannungsstöße begrenzen, blockieren, ableiten oder „überbrücken“. Keiner von ihnen bietet jedoch die eindeutige und irreversible Stromabschaltung der Schmelzsicherung. Sie ersetzen nicht die Funktion der Sicherung, können aber dort eingesetzt werden, wo eine Sicherung nicht die geeignete Schutzoption ist, oder sie ergänzen die Wirkung der Sicherung, wo es technisch sinnvoll ist. Zu den weiteren bekannten Schaltungsschutzkomponenten gehören:

• Metalloxidvaristoren (MOV)
• Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC)
• Überspannungsbegrenzer (TVS)
• Gasentlädungsröhren (GDT)
• Rücksetzbare Polymer-PTC-Sicherungen

Wie Schmelzsicherungen hat jede von ihnen eine Rolle beim Schutz von Stromkreisen, doch der grundlegende stromkreisunterbrechende Schmelzdraht behält seine Rolle und Funktion in vielen Konstruktionen aufgrund seiner Kombination von Eigenschaften, einschließlich Konsistenz, direkter Wirkung und Irreversibilität.

Über den austauschbaren Schmelzdraht hinaus

Thermische Sicherungen werden oft als vor Ort austauschbare Einheiten angenommen, wenn sie mit einem geeigneten Sicherungshalter oder -sockel gepaart sind. Die Möglichkeit des Austauschs vor Ort durch den Benutzer ist jedoch oft unnötig und kann bei vielen Produkten unerwünscht sein. Dies gilt für Produkte mit geringer Leistung, wie z. B. Mobiltelefone, Set-Top-Boxen, kleine Batterieladegeräte, AC/DC-Wandadapter und Spielzeug, für Geräte der mittleren Leistungsklasse, wie z. B. Elektrowerkzeuge, Industriesteuerungen und Generatoren für Verbraucher, und sogar für Systeme mit höherer Leistung, wie z. B. Ladegeräte für Elektrofahrzeuge (EV). Betrachten Sie diese Szenarien:

• Sicherungen mit unterschiedlichen Nennwerten können erforderlich sein, um verschiedene Teilstromkreise eines größeren Stromkreises zu schützen, einschließlich solcher mit empfindlichen Signalpfaden, aber nicht das gesamte Produkt.
• Bei dem abzusichernden Gerät kann es sich um ein winziges, versiegeltes Produkt handeln, wie z. B. ein Smartphone, bei dem die Sicherung in erster Linie zum Schutz des Akkus und des Ladeschaltkreises benötigt wird und es keine Möglichkeit für den Endbenutzer gibt, auf das Innere zuzugreifen.
• Wenn der tatsächliche Grund für die durchgebrannte Sicherung nicht bekannt ist, z. B. weil ein Mechaniker versehentlich eine Stromschiene berührt und mit dem Fahrzeugchassis verbunden hat, ist es bestenfalls Zeitverschwendung und schlimmstenfalls riskant, die Sicherung auszutauschen, nur weil es einfach zu machen ist. Wenn zum Beispiel eine Sicherung Teil einer Schutzschaltung für eine Lithium-basierte Batterie und deren Ladeschaltung ist, ist sie ein kritisches Element dieser Funktion. Daher ist es wichtig, die Ursache für das „Durchbrennen“ der Sicherung zu finden, anstatt sie einfach blind auszutauschen.
• Ein Sicherungshalter und seine Kontakte tragen aufgrund von Korrosion, Vibration und anderen Faktoren der Betriebsumgebung zu einer erhöhten Zuverlässigkeit bei.
• Schließlich ist da noch die Frage der Größe: Eine Sicherung, die ohne Halterung eingelötet wird, hat eine kleinere Grundfläche und ein geringeres Profil auf der Leiterplatte.

Um winzige, halterlose Schmelzsicherungen als SMDs zu realisieren und branchenübliche Platinenbestückung und Lötverfahren zu nutzen, ist es notwendig, über die traditionelle Schmelzsicherung mit ihrem drahtartigen Schmelzeinsatz hinauszugehen, wobei das Selbsterhitzungsprinzip, das schmilzt und damit den Strompfad öffnet, erhalten bleibt.

Breites Angebot an SMD-Sicherungen erfüllt die Herausforderungen des modernen Designs

Durch die Verwendung von Kombinationen aus Materialien, Technologien, Rezepturen und Fertigungstechniken hat Bourns eine Familie von SMD-Sicherungen entwickelt, die die thermisch basierte Sicherungsfunktion über einen breiten Strom- und Betriebsspannungsbereich bieten können. Das Produktportfolio der SinglFuse-SMD-Sicherungen von Bourns umfasst sieben verschiedene Sicherungsbautechnologien: Dünnfilm-Sputtern, Dünnfilm-Leiterplatte, Keramik-Multilayer, Keramik-Hohlraumlaminat, Drahtkern, Keramikrohr und Keramikwürfel (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die SinglFuse-Familie besteht ausschließlich aus SMD-Sicherungen, aber die Implementierung der vielen Strom- und Spannungskombinationen, die sie bietet, erfordert die Verwendung von sieben verschiedenen Sicherungstechnologien. (Bildquelle: Bourns)

Diese Vielfalt an Technologien und Konstruktionsansätzen ermöglicht es dem breiten SinglFuse-Portfolio, Sicherungen mit einer großen Bandbreite an Spezifikationen über wichtige Parameter wie Nennstrom, Nennspannung, Ausschaltvermögen, I²t und Betriebstemperatur anzubieten. Darüber hinaus sind die SinglFuse-Produkte UL-, TÜV- und VDE-konform und entsprechen den Normen UL 248 und IEC 60127, was den Weg zur Gesamtproduktzertifizierung erleichtert. Für Anwendungen im Automobilbereich, bei denen volle Spezifikationen und ein zuverlässiger Betrieb über einen weiten Temperaturbereich erforderlich sind - eine von vielen Anforderungen im Automobilbereich - oder für andere raue Betriebsumgebungen sind Sicherungen erhältlich, die mit AEC-Q200 konform sind.

Kleine SMD-Größe schränkt die Möglichkeiten nicht ein

Es gibt Situationen, in denen der Zwang zu kleineren Bauteilen, insbesondere in SMD-Gehäusen, deren Eigenschaften oder Fähigkeiten einschränkt. Dies ist bei den SinglFuse-Bauelementen nicht der Fall, die in Gehäusegrößen von einer fast unsichtbaren 0402 (0,040 Zoll × 0,020 Zoll; 1,0 × 0,5 Millimeter (mm)) für die unteren Strombereiche bis hin zu 3812 (0,150 Zoll × 0,100 Zoll; 3,81 × 2,54 mm) für die Sicherungen mit höherer Kapazität erhältlich sind, was immer noch eine winzige Größe ist.

Im Laufe der Jahre haben Sicherungshersteller spezielle Schmelzsicherungen mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt, um die Anforderungen von Schaltkreisen zu erfüllen. In Anbetracht dieser Situation sind die SinglFuse-Komponenten mit verschiedenen Ansprechcharakteristiken erhältlich, darunter:

• Flink
• Schnell wirkende Präzision: mit engeren Toleranzen bei wichtigen Spezifikationen
• Träge: zur Bewältigung eines vorübergehenden Stoßstroms, der den Nennstrom der Sicherung überschreitet
• Zeitverzögert: erlaubt einen Stromstoß für eine kurze Zeit, bevor die Sicherung tatsächlich durchbrennt
• Hoher Einschaltstrom: für zu hohe Anlaufströme

Beachten Sie, dass die Besonderheiten der Strom-Zeit-Profile für diese verschiedenen „Persönlichkeiten“ der Sicherungen in den jeweiligen Datenblättern definiert sind und vom Entwickler untersucht werden sollten, um die beste Anpassung an die Anwendung zu erhalten.

Strombelastungsextreme zeigen den Leistungsbereich

Entwickler können SMD-Sicherungen in einem breiten Bereich von Nennstromwerten einsetzen. Die flinke SMD-Präzisionssicherung SF-2410FP0062T-2 ist beispielsweise in einem Keramikrohr mit einem EIA-Footprint von 2410 (6125 metrisch) untergebracht und ist etwa 6 mm lang mit Abmessungen von 2,1 × 2,6 mm am rechteckigen Ende (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die SF-2410FP0062T-2 von Bourns ist eine flinke SMD-Präzisionssicherung in einem rechteckigen Gehäuse. (Bildquelle: Bourns)

Diese Sicherung ist für 125 Volt AC/DC-Betrieb spezifiziert und hat einen Nennwert von 62 Milliampere (mA) sowie einen typischen I²t-Wert von 0,0012 A²s. Während die zusammenfassende Spezifikation besagt, dass sie sich innerhalb von fünf Sekunden bei 200 % des Nennstroms öffnet, werden die Benutzer wahrscheinlich die Leistungsgrafiken studieren wollen, die die Vorlaufzeit (Abbildung 4) und den I²t-Wert (Abbildung 5) quantifizieren, Schlüsselindikatoren für die Ansprechzeit der Sicherung. Entwickler sollten sich des IR-Spannungsabfalls durch die Sicherung bewusst sein, wenn sie innerhalb ihres Nennstroms aufgrund ihres Widerstands von etwa 6 Ohm (Ω) betrieben wird; dieser Abfall liegt unter maximal 40 Millivolt (mV).

Abbildung 4: Das Datenblatt der SF-2410FP0062T-2 enthält Angaben zur Vorlaufzeit der Sicherung von sehr niedrigem Strom bis zu ihrem Nennmaximum, ein Parameter, der das Ansprechprofil der Sicherung gegenüber dem Strom definiert. (Bildquelle: Bourns)

Abbildung 5: Das Datenblatt der SF-2410FP0062T-2 zeigt auch das kritische I²t-Profil für akkumulierte thermische Energie bei verschiedenen Stromstärken. (Bildquelle: Bourns)

Ein ganz anderes Bereichs- und Leistungsprofil bietet die träge Sicherung SF-1206S700 (Abbildung 6), eine 7A-Komponente, die bei 250 % des maximalen Nennstroms innerhalb von fünf Sekunden öffnet.

Abbildung 6: Die träge oberflächenmontierbare SF-1206S700 aus der Serie SF-1206S von Bourns ist ein 7A-Bauteil, das bei 250 % seines maximalen Nennstroms innerhalb von fünf Sekunden öffnen soll (Bildquelle: Bourns)

Die SF-1206S700 verwendet ein anderes Gehäuse und eine andere Technologie als die SF-2410FP-T und wird in einem flachen 3216-Gehäuse (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) geliefert, das aufgrund seiner Dünnfilmkonstruktion nur 0,6 mm hoch ist (Abbildung 7). Ihr Widerstand von nur 7 Milliohm (mΩ) sorgt für einen geringen IR-Einbruch von knapp 50 mV bei maximalem Strom.

Abbildung 7: Dieser Ausschnitt der trägen SMD-Sicherung SF-1206S700 gibt einen Hinweis auf die anspruchsvollen Materialien und die Technologie, die für die Herstellung des Geräts erforderlich sind. (Bildquelle: Bourns)

Während das Datenblatt für diese Sicherung ähnliche Graphen wie für die 62-mA-Sicherung SF-2410FP-T aufweist, benötigt sie als träge Sicherung zusätzlich eine „I²T Derating Curve vs. Repeater Rush Current“-Kurve, die die Leistung der trägen Sicherung bei wiederholtem vollständigem Ein/Aus-Betrieb des Stromkreises weiter definiert (Abbildung 8).

Abbildung 8: Träge Sicherungen sind oft wiederholten hohen Einschaltstromzyklen ausgesetzt, daher wird im Datenblatt der SF-1206S700 die Auswirkung dieser Zyklen auf das Sicherungsverhalten erläutert. (Bildquelle: Bourns)

Für Entwickler ist es nützlich, verschiedene Sicherungen hinsichtlich ihres Typs, ihrer Nennwerte und ihrer Größe praktisch zu bewerten, aber es ist eine Herausforderung, dies zu tun. Im Gegensatz zu aktiven Bauelementen (z. B. Operationsverstärkern) oder passiven Bauelementen (Widerständen, Indikatoren, Kondensatoren) ist eine Sicherung ein Einwegbauteil und kann nur dann vollständig getestet werden, wenn sie zur effektiven Selbstzerstörung gebracht wird. Daher ist es sinnvoll, für die Auswertung jeweils ein Vielfaches der verschiedenen Sicherungswerte und -typen zur Hand zu haben.

Zur Erleichterung dieses Prozesses bietet Bourns das SinglFuse-SMD-FuseLab-Kit SF-SP-LAB1 zum schnellen Testen von Prototypen an (Abbildung 9). Es enthält je fünf von 18 trägen Sicherungen (insgesamt 90 Stück) in den Größen 0402, 0603 und 1206 (1608 bis 3216 metrisch); das ähnliche Kit SF-FP-LAB1 enthält 160 flinke Präzisionssicherungen (je fünf von 32 Werten) in den Größen 0402 bis 1206 (1005 bis 3216 metrisch).

Abbildung 9: Da das Testen von Sicherungen oft zur Selbstzerstörung führt, erleichtern Entwicklungskits wie dieses SinglFuse-SMD-FuseLab-Kit SF-SP-LAB1 für träge Sicherungen dem Entwickler die Aufgabe, Größe, Montage, thermische Probleme, Leistung und andere Aspekte zu bewerten. (Bildquelle: Bourns)

Fazit

Trotz ihrer konzeptionellen Einfachheit sind thermische Sicherungen hochentwickelte, passive elektrische und mechanische Komponenten, die auf fortschrittlichen thermischen, materiellen und fertigungstechnischen Überlegungen basieren. Da Schaltkreise und Produkte immer kleiner werden, was den Austausch einer Sicherung durch den Benutzer zunehmend unpraktisch, unklug oder sogar gefährlich macht, ist der Bedarf an SMD-Sicherungen (oberflächenmontierbare Komponenten), die wie jedes andere SMD-Bauteil gehandhabt werden, offensichtlich. Darüber hinaus vereinfachen SMD-Sicherungen den Montage- und Fertigungsprozess und reduzieren die Anfälligkeit eines Designs für Vibrationen und Korrosion.

Wie gezeigt, bieten die SMD-Sicherungen der SinglFuse-Serie von Bourns den Entwicklern eine breite Palette von Überstromschutzbereichen und Typen, um die Anforderungen der heutigen Produkte und Platinenherstellungsprozesse zu erfüllen.

Weiterführende Literatur:

1. Tutorium zu SinglFuse-SMD-Sicherungen
2. SinglFuse-SMD-Sicherungen von Bourns
3. Entwicklungskits mit präzisen flinken und trägen SinglFuse-SMD-Sicherungen

Referenz

1. IEEE 2007 8th International Conference on Electric Fuses and their Applications, „Zu den Ursprüngen von Sicherungen“