Elementy zabezpieczające Littelfuse w układach
advertisement
Elementy zabezpieczające Littelfuse w układach elektronicznych KaŜdy układ elektroniczny powinien być odpowiednio zabezpieczony przed czynnikami mogącymi spowodować jego nagłe uszkodzenie, dlatego waŜne jest uzmysłowienie sobie, skąd pochodzą zagroŜenia dla jego pracy. Układy elektroniczne są naraŜone na dwie grupy czynników: • PrzeciąŜenia, polegające na przepływie nadmiernego prądu przez fragment układu. Przepływający prąd powoduje nadmierne nagrzanie elementów elektronicznych. Przepływ nadmiernego prądu wynikać moŜe ze zwarć w obwodzie, które z kolei są skutkiem uszkodzeń elementów układu, błędów w montaŜu czy nawet niewłaściwego ustawienia stanów wyjściowych urządzeń cyfrowych. • Przepięcia, czyli przekroczenia dozwolonej wartości napięcia na liniach zasilania, transmisyjnych, wejściach cyfrowych oraz analogowych. KaŜda z wymienionych sytuacji moŜe skutkować niewłaściwym działaniem obwodu, niestety jednak zazwyczaj oznacza jego nieodwracalne uszkodzenie. Zatem zadaniem projektanta jest przewidzieć sytuacje związane z przeciąŜeniami i przepięciami oraz zastosować odpowiednie elementy zabezpieczające, które uchronią obwód elektroniczny przed uszkodzeniami lub chociaŜ je zminimalizują. Szeroki wachlarz elementów zabezpieczających oferuje firma Littelfuse, a spora część jej asortymentu znajduje się w ofercie dystrybutora Transfer Multisort Elektronik. Gdy chcemy zabezpieczyć układ elektroniczny przed zwarciami, powodującymi przepływ nadmiernego prądu, elementami, po które intuicyjnie sięgamy, są bezpieczniki. Oczywiście trzeba pamiętać, Ŝe te elementy najczęściej nie chronią całkowicie naszego układu przed uszkodzeniem. Mimo to naleŜy bezwzględnie je stosować, poniewaŜ właściwie dobrany bezpiecznik zabezpiecza przed ryzykiem poŜaru, gdyŜ nie dopuszcza do nadmiernego nagrzania się elementów przez prąd zwarciowy. Ponadto moŜe uchronić przed uszkodzeniem części naszego obwodu oraz urządzenia z nim współpracujące. Littelfuse dysponuje bogatą ofertą bezpieczników do najróŜniejszych zastosowań. Najbardziej popularne są bezpieczniki topikowe rurkowe, stosowane w sprzęcie elektronicznym od dziesiątek lat. W katalogu firny Littelfuse znajdziemy bezpieczniki topikowe w klasycznych rozmiarach 5x20mm oraz 6.3x32mm, dla prądów znamionowych od 10mA do nawet 40A. Mamy do wyboru wersje szybkie oraz zwłoczne, które, z uwagi na wolniejszą reakcję na duŜe prądy zwarciowe, znajdują zastosowanie tam, gdzie chwilowe „piki” przeciąŜeniowe są zjawiskiem normalnym i nie powinny spowodować zadziałania bezpiecznika. Fot. 1. Bezpieczniki topikowe Dlatego bezpieczniki zwłoczne są stosowane w rurkowe (szklane) obwodach z obciąŜeniami indukcyjnymi, takimi jak silniki czy transformatory. Oczywiście bezpieczniki topikowe rurkowe wymagają umieszczenia w specjalnym gnieździe czy oprawie, które występują w kilku rodzajach.. Jeśli chcemy zapewnić dość prosty i wygodny sposób wymiany bezpiecznika, wybieramy gniazdo montowane na panel obudowy. JeŜeli jego wymiana ma być niemoŜliwa dla uŜytkownika urządzenia, a dostępna dla serwisanta, moŜna zastosować gniazda montowane bezpośrednio na płytkę drukowaną. Alternatywą dla bezpieczników rurkowych mogą być bezpieczniki miniaturowe: kubkowe (TR5), prostopadłościenne (TE5) lub osiowe (przypominające zwyczajny rezystor). Dzięki małym gabarytom nadają urządzeniu bardziej zwarty charakter. Ich parametry są zbliŜone do bezpieczników rurkowych; takŜe występują w wersji szybkiej(a nawet ultraszybkiej) oraz zwłocznej. W firmie TME moŜemy bez problemu zaopatrzyć się w bezpieczniki marki Littelfuse o prądach znamionowych od 40mA do 15A. Są to elementy montowane w technologii przewlekanej, zatem sugeruję stosowanie ich tam, gdzie sytuacje powodujące zadziałanie bezpiecznika zdarzają się rzadko, poniewaŜ kaŜda wymiana wiąŜe się z lutowaniem. Dla bezpieczników TR5 i TE5 są dedykowane gniazda, których stosowanie znacząco upraszcza wymianę elementu. Elektronika zmierza cały czas ku miniaturyzacji. Wiele urządzeń powstaje praktycznie w 90-99% w technologii montaŜu Fot. 2. Bezpiecznik powierzchniowego SMD. Dlatego na rynku pojawiły się (takŜe w SMD w oprawie ofercie Littelfuse) bezpieczniki przeznaczone do tej metody montaŜu, które mogą być z powodzeniem stosowane wszędzie tam, gdzie nie występują zbyt duŜe napięcia i moce, tym bardziej, Ŝe producenci, idąc w kierunku wygody wymiany bezpiecznika, proponują wersje ze specjalnymi podstawkami. Ciekawą alternatywą dla klasycznych bezpieczników są tzw. bezpieczniki polimerowe PTC. Są to bezpieczniki wielokrotnego zadziałania, czyli spełniają swoją funkcję zabezpieczania (blokowania nadmiernego prądu) wielokrotnie bez konieczności wymiany na nowy. Nazwy handlowe tego typu elementów to PolySwitch, MultiFuse czy Resettable Fuse. Zamknięty w tych bezpiecznikach polimer zawierający cząsteczki węgla w stanie zimnym ma strukturę kryształu, a zawarty w nim węgiel Fot. 3. Bezpieczniki PTC zapewnia dobre przewodzenie prądu. Jednak przy przepływie przez bezpiecznik duŜego prądu polimer ogrzeje się, zostaną zerwane łańcuchy krystaliczne i rezystancja elementu zacznie szybko rosnąć. Przy temperaturze 140˚C jest około milion razy większa niŜ w stanie zimnym. W chwili zadziałania element osiąga stan pewnej równowagi, płynie przez niego niewielki prąd, prawie całe napięcie zasilania się odkłada, a wydzielająca się moc pozwala na podtrzymanie bezpiecznika w stanie gorącym. Powrót do stanu zimnego następuje po obniŜeniu się temperatury podzespołu do wysokości poniŜej 100˚C (zmniejszenie prądu lub wyłączenie zasilania).Bezpieczniki te są bardzo wygodne w stosowaniu, aczkolwiek ich trwałość jest ograniczona i wynosi od kilkunastu do kilkuset zadziałań. Littelfuse dostarcza całą gamę tego typu zabezpieczeń zarówno w wersji przewlekanej, jak i montowanej powierzchniowo. Parametry i charakterystyki tych elementów są zbliŜone do wkładek topikowych zwłocznych, są jednak przeznaczone do pracy ze stosunkowo niskimi napięciami (zazwyczaj do 60V). Na rysunku 1 przedstawiam poglądowo propozycję zabezpieczenia zasilacza: F1 jest bezpiecznikiem zwłocznym i jego rolą jest przede wszystkim zabezpieczenie przed zapaleniem się urządzenia wskutek zwarcia, a F2 jest szybkim bezpiecznikiem Rys. 1 chroniącym stabilizator IC1. Teraz pora zastanowić się, jakie elementy pomogą ochronić urządzenia elektroniczne przed przepięciami. Pisząc o przepięciach, mam na myśli krótkie impulsy napięciowe znacznie przekraczające dopuszczalną wartość dla danego elementu/układu. Impulsy takie mogą wystąpić w sieci energetycznej, na liniach zasilających, transmisyjnych, ale takŜe we wnętrzu naszego obwodu elektronicznego. Ich pojawienie się jest wynikiem indukowania się napięcia na przewodach, związanym z oddziaływaniem elektromagnetycznym (burza, zakłócenie pochodzące od przetwornic) czy przełączaniem sygnałów w obwodach z indukcyjnościami. Najprostszym elementem przeciwprzepięciowym moŜe być pojedyncza dioda Zenera, jak zostało pokazane na rys.2a. Rys. 2 Tak włączona dioda najprawdopodobniej uchroni nasz układ, ale diody Zenera stosowane w konstrukcjach przemysłowych czy amatorskich mają małe moce i małe zdolności pochłaniania energii przepięć. Dlatego mogą ulec przepaleniu i spowodować zwarcie. Wtedy, po pierwsze, będzie wymagać wymiany, a po drugie, będzie utrzymywać zwarcie na chronionych liniach. Jednak firma Littelfuse oferuje doskonałą alternatywę dla takiego rozwiązania: szeroki wybór warystorów i diod zabezpieczających. Warystory są rodzajem nieliniowych rezystorów, a ich rezystancja zaleŜy od występującego na nim napięcia. PoniŜej swojego napięcia znamionowego warystor ma duŜą rezystancję setek kΩ i płynie przez niego mały prąd. Po przekroczeniu napięcia progowego rezystancja elementu szybko maleje. Przykładowe włączenie warystora tak, jak na rys.2b, ma za zadanie ochronę transformatora przed przepięciami: warystor powoduje zwieranie „pików” przepięciowych do masy. Elementy te są najczęściej stosowane właśnie w obwodach zasilania z sieci Fot. 4. Warystory energetycznej. Warystory mają dość duŜą zdolność pochłaniania przewlekane energii w momencie przepięcia i w wielu przypadkach pracują podobnie jak omówione wcześniej bezpieczniki PTC, tj. po przejęciu impulsu przepięciowego wracają do stanu wyjściowego. W ofercie Littelfuse znajdziemy warystory zarówno do montaŜu przewlekanego, jak i powierzchniowego, o wartościach napięcia progowego od kilku do kilkuset woltów, i o róŜnych gabarytach, decydujących o moŜliwościach tłumienia przepięć. Godnym zauwaŜenia elementem dającym zabezpieczenie przeciwprzepięciowe są diody TVS (Transient-voltage-suppression diode), znane takŜe pod nazwą Transil. Są to podzespoły o działaniu podobnym do diod Zenera: po przekroczeniu swojego napięcia progowego zaczynają lawinowo przewodzić prąd. Oczywiście, w tym stanie panuje na nich napięcie oscylujące w okolicy wartości progowej. Są to elementy duŜo szybsze od warystorów (reagują na przepięcia nawet w kilka pikosekund), co predestynuje je do ochrony czułych podzespołów elektronicznych przed wszelkimi przepięciami, w tym przed ładunkami elektrostatycznymi. Ponadto mają bardzo duŜą zdolność pochłaniania energii w momencie wytłumiania przepięcia (nawet do dziesiątek kJ). Istnieją dwie wersje takich elementów: jednokierunkowa i dwukierunkowa ( będąca odpowiednikiem dwóch przeciwsobnie włączonych diod Zenera) Na rysunku 2c przedstawiono propozycję zastosowania dwukierunkowej diody TVS do ochrony wejść driverów RS485. Littelfuse oferuje nam wyjątkowo bogaty arsenał diod transil. Wśród nich znajdują się podzespoły o wielu róŜnych napięciach znamionowych, zgrupowanych w typoszeregi o róŜnej zdolności pochłaniania energii. Rzecz jasna mamy do dyspozycji duŜą ofertę diod do stosowania zarówno w technologii montaŜu przewlekanego, jak i powierzchniowego. Fot. 5. Przykłady diod TVS Interesującą grupę elementów w ofercie firmy Littelfuse stanowią drabinki diod TVS umieszczone w obudowach układów scalonych SMD, a nawet mniejszych (na fotografii 5 po prawej). Najbardziej optymalną ochroną , stosowaną na ogół na liniach zasilających, jest aplikowanie elementu zabezpieczającego przed przepięciami współpracującego z którymś omówionych wcześniej bezpieczników, jak widać to na rys. 2d.. Otrzymujemy wtedy kompleksowe zabezpieczenie przed przepięciami i przepływem nadmiernego prądu, takŜe na wypadek uszkodzenia elementu zabezpieczającego. Ostatnią grupą elementów dostępnych w Littelfuse, o której chciałbym wspomnieć, są ochronniki przeciwprzepięciowe GDT. W elementach tych jest zamknięty gaz, który po przekroczeniu określonego napięcia ulega jonizacji i zaczyna gwałtownie przewodzić prąd. Napięcie progowe tych podzespołów jest stosunkowo duŜe (szereg od prawie 100 do 1000 woltów). Charakteryzują się one najmniejszym wydzielaniem mocy i zdolnością do przejęcia największego prądu spośród wszystkich Fot 6. Ochronniki GDT elementów zabezpieczających przed przepięciami. Są przeznaczone do zastosowań telekomunikacyjnych: zabezpieczeń linii telefonicznych, modemów i repeaterów. Mogą uchronić układy przed uszkodzeniem nawet przy bezpośrednim przyjęciu przez linię wyładowania atmosferycznego. Oczywiście na omówionych elementach nie kończy się oferta omawianego producenta. Littelfuse produkuje takŜe zabezpieczenia do zastosowań specjalistycznych, mogące bezpiecznie pracować w kontakcie z gazami/oparami palnymi, czy takie o bardzo wyśrubowanych parametrach, np. do zastosowań militarnych. Podzespoły, które omówiłem, są dostępne w szerokim asortymencie, obejmującym róŜne obudowy i technologie montaŜu oraz zróŜnicowane parametry. Zapraszam do bliŜszego zapoznania się z zabezpieczeniami Littelfuse, a takŜe z katalogiem firmy Tranfer Multisort Elektronik. Projektanci znajdą w nim szeroką ofertę elementów zabezpieczających Littelfuse, , która pozwala na bezproblemowy dobór odpowiedniego rozwiązania zarówno dla aplikacji przemysłowych, powszechnego uŜytku jak i amatorskich. Mgr inŜ. Janusz Janicki
