Helpota SMD-sulakkeiden avulla asettelua, pienennä tuotteita ja paranna kestävyyttä

Edelleen laajalti käytettävä lämpösulake on vanhin virtapiirien suojauslaite. Se on helppo ymmärtää, luotettava, toimii johdonmukaisesti ja täyttää säätelyn vaatimukset. Lopputuotteiden muuttuessa yhä monimutkaisemmiksi ja pienemmiksi suunnittelijat tarvitsevat kuitenkin käyttäjän vaihdettavaksi tarkoitetuille sulakkeille ja sulakepidikkeille vaihtoehdon, jonka avulla tuotetta voidaan pienentää, kokoonpanoa helpottaa, kestävyyttä parantaa ja turvallisuutta kehittää entisestään.

Suunnittelijat voivatkin käyttää näiden sijasta pintaliitoskomponentteja (surface mount device, SMD) suorituskyvyn heikentymättä. SMD-sulakkeissa hyödynnetään lukuisia teknologioita, joiden avulla voidaan toteuttaa lämpösulakkeen tehtävä sekä kaikki sulakkeelta tarvittavat ominaisuudet, kuten nopea tai hidas palaminen.

Tässä artikkelissa annetaan nopea peruskatsaus sulakkeiden käytöstä, virtapiirien suojauksesta ja suunnittelussa huomioon otettavista seikoista. Sen jälkeen käsitellään Bourns-yhtiön valmistamia SMD-sulakkeita, niiden tärkeimpiä ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia.

Perussulake puolustaa paikkaansa

Perinteinen lämpösulake, tunnetuin ja suoraviivaisin virtapiirin suojauslaite, keksittiin noin 150 vuotta sitten. Se on luotettava ja helppo ymmärtää, ja se täyttää johdonmukaisesti ainoan tehtävänsä: virtapiirin suojelemisen ylivirralta. Se tekee työnsä suoraviivaisesti ja peruuttamattomasti avaamalla piirin ja katkaisemalla virran kulun, kun virran taso ylittää sulakkeen rakenteen määrittämän tason.

Perinteinen sulake esitetään kytkentäkaavioissa useilla erilaisilla, käytettävän kaaviostandardin mukaan vaihtelevilla symboleilla. Sulakkeen metallijohtimen muotoilu, mitat ja materiaalit on suunniteltu tarkasti (kuva 1). Kun tämän sulavan johtimen läpi kulkeva virta ylittää ennalta määritetyn raja-arvon riittävän kauan, johdin kuumenee ja sulaa poikki. Kuumeneminen johtuu suoraan Ohmin lain mukaisesta I²R-virtahäviöstä virran kulkiessa johtimen vastuksen läpi.

Kuva 1: Sulake voidaan merkitä kytkentäkaavioissa useilla eri symboleilla käytettävän standardin mukaan vaihdellen. (Kuvan lähde: ClipArtKey.com)

Saatavana on monin eri tavoin pakattuja sulakkeita, kuten tuttu 3AG-lasiputkisulake, jonka halkaisija on ¼ tuumaa ja pituus 1¼ tuumaa. Sulaketoimittajat tarjoavat eri sulakkeille ja nimellisvirroille yksityiskohtaiset käyrästöt, joista käy ilmi ylivirta-arvon ja sulake-elementin sulamiseen eli sulakkeen palamiseen tarvittavan kokonaisajan välinen suhde. Tämä niin sanottu I²t-arvo ilmaisee sähkövirran aiheuttaman lämpöenergian määrän, ja sen yksikkö on ampeeri toiseen sekunti (A²s)^.

Suunnittelijat käyttävät virtapiirien suojaukseen sulakkeiden lisäksi muitakin laitteita. Saatavana on muita passiivisia laitteita, jotka toteuttavat suojauksen muilla tavoilla eli rajoittamalla, estämällä, johtamalla pois ylisuuret virta- tai jännitepiikit tai käyttämällä katkosuojausta. Mikään näistä vaihtoehdoista ei kuitenkaan katkaise virtaa yhtä selkeästi ja peruuttamattomasti kuin sulake. Ne eivät korvaa sulakkeen toimintaa, mutta niitä voidaan käyttää, jos sulake ei ole sopiva vaihtoehto, tai täydentämään sulakkeen toimintaa silloin kun se on teknisesti järkevää. Muita tunnettuja virtapiirin suojauslaitteita ovat

• metallioksidivaristori (MOV)
• positiivisen lämpötilakertoimen (PTC) termistori
• transienttijännitteen vaimennusdiodi (TVS-diodi)
• kaasupurkausputki (GDT)
• palautuvat PTC-polymeerisulakkeet.

Kaikki nämä laitteet suojaavat virtapiiriä, aivan kuten sulakekin, mutta sulake säilyttää roolinsa ja perustehtävänsä – virtapiirin katkaisu – edelleen monissa käyttökohteissa. Sulakkeet nimittäin toimivat johdonmukaisesti, suoraan ja peruuttamattomasti.

Mitä vaihdettavan sulakkeen jälkeen?

Lämpösulake tuo usein mieleen sopivaan sulakepidikkeeseen tai ‑liittimeen kytketyn sulakkeen, jonka voi vaihtaa käyttökohteessa. Käyttäjälle on kuitenkin usein tarpeetonta tarjota sulakkeen vaihtomahdollisuutta, ja monissa tuotteissa voi olla jopa toivottavaa, ettei käyttäjä voi vaihtaa sulaketta. Tämä koskee matkapuhelinten, digisovittimien, pienten akkulaturien, AC/DC-verkkovirtamuuntajien ja lelujen kaltaisia matalatehoisia laitteita, keskitehoisien sähkötyökalujen, teollisuussäätimien ja kuluttajakäyttöön tarkoitettujen generaattorien kaltaisia laitteita ja jopa sähköautojen latauslaitteiden kaltaisia suuritehoisia laitteita. Ajatellaanpa esimerkiksi seuraavia tilanteita:

• Suuren virtapiirin osapiirien, herkät signaalireitit mukaan lukien, suojaukseen voidaan tarvita erikokoisia sulakkeita koko tuotteen suojauksen sijaan.
• Laite, jossa sulaketta käytetään, voi olla älypuhelimen kaltainen pieni, tiiviisti suljettu tuote, jonka sulake on tarkoitettu pääasiassa akun ja latauspiirien suojaukseen, eikä loppukäyttäjä pääse käsiksi laitteen sisäosiin.
• Sulake voi palaa esimerkiksi siksi, että mekaanikko koskee vahingossa virtakiskoa ja kytkee sen auton runkoon. Jos syy ei kuitenkaan ole tiedossa, pelkkä sulakkeen vaihtaminen voi olla parhaimmillaan helppo ja nopea ratkaisu ja pahimmillaan jopa vaarallinen teko. Esimerkiksi litiumioniakun ja sen latauspiirin suojauspiiriin kuuluva sulake on toiminnan kannalta kriittinen osa. Sen vuoksi pelkän sulakkeen vaihtamisen sijaan on tärkeää selvittää sen ”palamisen” juurisyy.
• Sulakepidike ja sen koskettimet synnyttävät korroosiosta, tärinästä ja muista käyttöympäristöön liittyvistä tekijöistä aiheutuvan luotettavuusongelman.
• Myös koolla on merkitystä: ilman pidikettä kiinni juotettu sulake on matalampi ja mahtuu piirilevyllä pienempään tilaan.

SMD-sulakkeiden kaltaisten pikkuruisten, pidikkeettömien sulakkeiden ja tavanomaisten levyn täyttö- ja juottovälineiden käyttö vaatiikin tutustumista tavanomaista sulaketta kehittyneempiin vaihtoehtoihin. Samalla halutaan kuitenkin säilyttää itsekuumenemisen periaate, jossa materiaalin sulaminen avaa virtapiirin.

Laaja SMD-sulakevalikoima vastaa modernin suunnittelun haasteisiin

Bourns on erilaisia materiaaleja, teknologioita, muotoiluja ja valmistustekniikoita yhdistelemällä kehittänyt SMD-sulakeperheen, joka tarjoaa lämpösulakkeen toiminnot laajalla virta- ja käyttöjännitealueella. Bournsin SinglFuse SMD ‑sulakevalikoimassa hyödynnetään seitsemää erilaista sulakkeiden valmistusteknologiaa: ohutkalvojen sputterointi, ohutkalvopiirilevy, keraaminen monikerrosrakenne, keraaminen ontelolaminaatti, johdinydin, keraaminen putki ja keraaminen kuutio (kuva 2).

Kuva 2: Kokonaan SMD-sulakkeista koostuvan SinglFuse-tuoteperheen lukuisten virta- ja jänniteyhdistelmien tarjoamiseen tarvitaan seitsemää eri valmistusteknologiaa. (Kuvan lähde: Bourns)

SinglFuse-valikoima pystyy käytettävien teknologioiden ja rakennemenetelmien moninaisuuden ansiosta tarjoamaan monenlaisia sulakkeita, joissa on laaja valikoima erilaisia nimellisvirta-, nimellisjännite-, katkaisukapasiteetti-, I²t-arvo- ja käyttölämpötilavaihtoehtoja. SinglFuse-tuotteet ovat lisäksi UL-, TUV- ja VDE-yhteensopivia ja täyttävät UL 248‑ ja IEC 60127 ‑standardien vaatimukset, mikä helpottaa lopputuotteen sertifiointia. Autoteollisuudessa vaaditaan kattavia spesifikaatioita ja luotettavaa toimintaa laajalla lämpötila-alueella. AEC-Q200 on yksi autoteollisuuden standardeista, joka soveltuu myös muihin vaativiin käyttöympäristöihin. Näissä voidaan käyttää AEC-Q200-yhteensopivia sulakkeita.

SMD-sulakkeiden pieni koko ei rajoita ominaisuuksia

Tarve saada komponenteista pienempiä rajoittaa joissakin tapauksissa komponenttien toiminnallisuuksia tai ominaisuuksia, etenkin SMD-paketeissa . Tämä ei kuitenkaan päde SinglFuse-laitteisiin, joiden koko vaihtelee pienimpien virtalukemien lähes silmin havaitsemattomasta 0402-mallista (1,0 × 0,5 millimetriä (mm)) aina tehokkaampiin 3812-sulakkeisiin (3,81 × 2,54 mm), jotka nekin ovat varsin pieniä.

Sulaketoimittajat ovat vuosien mittaan kehittäneet sulakelaitteista virtapiirien tarpeisiin erikoisversioita, joilla on yksilöllisiä ominaisuuksia. SinglFuse-laitteista onkin saatavana monia erilaisia vastevaihtoehtoja, kuten esimerkiksi seuraavat:

• Nopea
• Nopeaa tarkkuutta: tärkeimpien ominaisuuksien toleranssit ovat tiukemmat
• Hidas: selviää sulakkeen nimellisvirran ylittävistä tilapäisistä virtapiikeistä
• Aikaviive: antaa virtapiikin jatkua jonkin aikaa ennen palamista
• Suuri kytkentäsysäysvirta: sietää suuret käynnistysvirrat

Huomaa, että näiden erilaisten sulaketyyppien virta- ja aikaominaisuudet on määritetty kunkin tuotteen teknisissä tiedoissa. Suunnittelijan tulisi tutkia nämä tiedot tarkasti käyttökohteeseen parhaiten sopivan vaihtoehdon valitsemiseksi.

Virtaluokituksen ääriarvot osoittavat suorituskykyalueen

Suunnittelijat voivat käyttää SMD-sulakkeita laajalla nimellisvirta-alueella. Esimerkiksi nopea SMD-tarkkuussulake SF-2410FP0062T-2 on sijoitettu keraamiseen putkeen, jonka tilantarve on EIA 2410 (metrinen 6125). Sen pituus on noin 6 mm ja suorakulmaisen pään koko on 2,1 × 2,6 mm (kuva 3).

Kuva 3: Bournsin SF-2410FP0062T-2 on muodoltaan suorakulmainen nopea SMD-tarkkuussulake. (Kuvan lähde: Bourns)

Tämä sulake on tarkoitettu 125 voltin AC/DC-käyttöön, ja sen nimellisvirta on 62 milliampeeria (mA) ja tyypillinen I²t-arvo 0,0012 A²s. Ylätason teknisten tietojen mukaan sulake laukeaa viidessä sekunnissa, kun virta on 200 % nimellisvirrasta. Käyttäjät haluavat kuitenkin luultavasti tutustua sen suorituskykykuvaajiin, joissa esitetään sulakkeen vasteajan kannalta tärkeät sulamisaika (kuva 4) ja I²t-arvo (kuva 5). Suunnittelijoiden kannattaa kiinnittää huomiota IR-jännitteen putoamiseen, kun sulaketta käytetään nimellisvirralla. Jännite laskee sulakkeessa sen noin 6 ohmin (Ω) vastuksen vuoksi enintään vajaat 40 millivolttia (mV).

Kuva 4: Sulakkeen SF-2410FP0062T-2 teknisissä tiedoissa on tarkempia tietoja sulakkeen sulamisajasta hyvin pienistä virroista aina sulakkeen suurimpaan sallittuun nimellisvirtaan, joka määrittää sulakkeen vaste-virtaprofiilin. (Kuvan lähde: Bourns)

Kuva 5: Sulakkeen SF-2410FP0062T-2 teknisissä tiedoissa on esitetty myös kertyneen lämpöenergian kriittinen I²t-profiili eri virtatasoilla. (Kuvan lähde: Bourns)

Hitaan SF-1206S700-sulakkeen toiminta-alue ja suoritusprofiili (kuva 6) näyttävät varsin toisenlaisilta. Tämä 7 A:n laite aukeaa teknisten tietojen mukaan viidessä sekunnissa, kun virta on 250 % sen suurimmasta nimellisvirrasta.

Kuva 6: Bourns SF-1206S -sarjan hidas pinta-asennettava SF-1206S700-sulake on 7 A:n laite, joka aukeaa teknisten tietojen mukaan viidessä sekunnissa, kun virta on 250 % sen suurimmasta nimellisvirrasta. (Kuvan lähde: Bourns)

SF-1206S700-sulakkeessa käytetään erilaista pakkausta ja teknologiaa kuin sulakkeessa SF-2410FP-T. Se on pakattu litteään 3216-pakkaukseen (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm), jonka paksuus on ohutkalvorakenteen ansiosta vain 0,6 mm (kuva 7). Sen vastus on vain 7 milliohmia (mΩ), joten IR-jännite laskee enimmäisvirralla vain vajaat 50 mV.

Kuva 7: Tämän hitaan SMD-sulakkeen SF-1206S700 leikkauskuva antaa hieman viitteitä laitteen kehittyneistä materiaaleista ja valmistusteknologiasta. (Kuvan lähde: Bourns)

Vaikka tämän sulakkeen teknisten tietojen kuvaajat muistuttavat 62 mA:n SF-2410FP-T-sulakkeen kuvaajia, tälle hitaalle sulakkeelle tarvitaan myös I²T-arvon teho-lämpötilasuhde vs. toistuva virtapiikki ‑kuvaaja, joka määrittää tarkemmin hitaan sulakkeen toimintaa virtapiirin toistuvassa kytkemisessä täydellä virralla (kuva 8).

Kuva 8: Hitaisiin sulakkeisiin kohdistuu usein toistuvia korkeiden virtapiikkien syklejä, joten SF-1206S700-sulakkeen teknisissä tiedoissa selvennetään näiden syklien vaikutusta sulakkeen käyttäytymiseen. (Kuvan lähde: Bourns)

Suunnittelijoiden kannattaa arvioida eri sulakkeita käytännössä ja vertailla niiden tyyppejä, nimellisarvoja ja kokoja, mutta tämä on usein haastavaa. Toisin kuin aktiiviset (esimerkiksi operaatiovahvistimet) tai passiiviset (vastukset, kelat, kondensaattorit) komponentit, sulake on kertakäyttöinen laite, jonka voi testata käytännössä täysin vain tuhoutumalla sen. Sen vuoksi arviointia varten on hyvä olla käsillä nimellisarvoltaan ja tyypiltään vaihtelevia sulakkeita useita kappaleita kutakin.

Bourns tarjoaa suunnittelijoiden käyttöön SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit ‑testaussarjan, jonka avulla prototyyppejä voidaan testata nopeasti (kuva 9). Siihen kuuluu 18 hidasta sulakemallia viisi kappaletta kutakin (yhteensä 90 kpl) 0402-, 0603- ja 1206-kokoisissa pakkauksissa ((metrinen 1608–3216); vastaavassa SF-FP-LAB1-sarjassa on 160 nopeaa tarkkuussulaketta (32 vaihtoehtoa, viisi kappaletta kutakin) 0402–1206-kokoisissa (metrinen 1005–3216) pakkauksissa.

Kuva 9: Koska sulakkeet ajetaan testeissä usein tuhoutumaan, hitaita sulakkeita sisältävän SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit ‑sarjan kaltaiset testaussarjat helpottavat suunnittelijoita arvioimaan sulakkeiden kokoa, asennusta, lämpöongelmia, suorituskykyä ja muita ominaisuuksia. (Kuvan lähde: Bourns)

Yhteenveto

Lämpösulakkeet ovat yksinkertaisesta toimintaperiaatteestaan huolimatta edistyneitä, passiivisia sähköisiä ja mekaanisia komponentteja, jotka perustuvat pitkälle kehitettyyn lämpötekniikkaan, materiaaliominaisuuksiin ja valmistusmenetelmiin. Piirien ja tuotteiden kutistuessa on yhä hankalampaa, harkitsematonta tai jopa vaarallista antaa kuluttajan vaihtaa sulake itse. Muiden SMD-laitteiden tapaan käsiteltävien ja pintaliitettävien SMD-sulakkeiden tarve onkin ilmeinen. SMD-sulakkeet helpottavat myös kokoonpano- ja valmistusprosessia ja vähentävät rakenteen herkkyyttä tärinä- ja korroosiovaurioille.

Kuten edellä kuvataan, Bournsin SinglFuse-sarjan SMD-sulakkeet tarjoavat suunnittelijoiden käyttöön laajan valikoiman erityyppisiä ja eri käyttöalueille tarkoitettuja ylivirtasuojausratkaisuja, jotka vastaavat nykypäivän tuotteiden ja piirilevyjen valmistusprosessien tarpeisiin.

Lisätietoja:

1. SinglFuse-SMD-sulakkeiden opas
2. Bourns-yhtiön SinglFuse-SMD-sulakkeet
3. Bourns-yhtiön nopeiden tarkkuussulakkeiden ja aikaviiveellisten SinglFuse-SMD-sulakkeiden suunnittelusarjat

Lähde

1. IEEE 2007 8th International Conference on Electric Fuses and their Applications, ”To the origins of fuses”