De nombreux conducteurs ont une expérience commune de recherche et de remplacement de fusibles grillés dans le tableau de bord de leur véhicule. Les fusibles remplissent une fonction importante : protéger les composants en aval en cas de court-circuit. Cependant, les nouveaux types de fusibles peuvent continuer à fonctionner sans devoir être remplacés, ce qui permet de gagner du temps et de maintenir l'équipement en ligne plus longtemps. Cet article de Bel explore les différences entre les fusibles traditionnels et les fusibles PTC réarmables.
Quand un fusible n’est-il pas un fusible ?
Les interfaces électroniques des produits électroniques grand public d’aujourd’hui offrent des performances supérieures et peuvent fournir des courants plus élevés que jamais auparavant. Cependant, ces courants plus élevés peuvent entraîner la fusion de fusibles qui sont difficiles, voire impossibles à remplacer. Pour éviter de devoir remplacer des fusibles ou des circuits entiers, des fusibles PTC réarmables peuvent être utilisés. Les fusibles PTC se réinitialisent et peuvent continuer à protéger les circuits sans qu'il soit nécessaire de les remplacer, réduisant ainsi les temps d'arrêt et prolongeant la durée de vie de l'application.
Qu'est-ce qu'un fusible traditionnel ?
Un fusible traditionnel est constitué d'un morceau de fil ou d'un autre élément conducteur ayant une capacité de transport de courant connue, placé en série avec un circuit électrique. Le fusible fonctionne uniquement comme un dispositif de sécurité conçu pour fondre et interrompre définitivement le flux de courant. En fonctionnant, les fusibles protègent les circuits contre les dommages causés par une surcharge ou un courant de court-circuit, évitant ainsi la surchauffe et même l'incendie en cas de défaut.
Selon le circuit à protéger, les fusibles peuvent avoir une intensité allant de quelques milliampères dans les petits produits électroniques grand public à des centaines d'ampères dans les applications industrielles. Le courant nominal seul n'est pas suffisant pour spécifier un fusible pour une application particulière ; les fusibles sont également différenciés en termes de tension, CA et/ou CC. La tension nominale est un maximum et ne peut pas être dépassée. Lorsque le fusible fonctionne, il n'y a aucun risque d'arc électrique à travers le fusible. Selon que la charge est résistive ou réactive, il existe des fusibles conçus pour griller « rapidement » en cas de surcharge de courant, ou conçus pour permettre une brève surcharge pendant une courte période définie avant de griller, souvent appelés fusibles « temporisés » ou « lents ».
Comment les paramètres du circuit affectent-ils la sélection des fusibles ?
Les fusibles doivent également être sélectionnés en fonction des paramètres du circuit. Certains circuits à semi-conducteurs nécessitent qu'un fusible se déclenche très rapidement pour éviter d'éventuels dommages importants/coûteux aux composants. À l'inverse, les circuits hautement inductifs ou capacitifs, comme les alimentations électriques, peuvent générer de brèves surintensités provoquées par le courant d'appel lors de la mise sous tension. Des circuits comme celui-ci nécessitent un fusible de type « Time Lag » ou « Slow Blow » pour lui permettre de surmonter ces surtensions brèves mais normales sans provoquer ce que l'on appelle une « suppression intempestive ». Ceci est également vrai pour les courants d’appel des moteurs et des transformateurs.
Une chose que tous les fusibles ont en commun est qu’ils sont des dispositifs « à usage unique ». Après la fusion d'un fusible de type classique, son remplacement à l'identique est la seule manière de rétablir l'alimentation du circuit protégé. Mais à mesure que les systèmes électroniques continuent de rétrécir et d’évoluer, la nature à usage unique du fusible est soumise à une pression croissante.
Les fusibles grillés doivent-ils être remplacés ?
Avant l’avènement de la miniaturisation et l’essor des microcircuits, les fusibles des équipements étaient maintenus mécaniquement par des supports ou des clips. Une réparation consistait à déterminer quel fusible avait fondu ; à localiser/accéder au fusible grillé ; à diagnostiquer le problème sous-jacent, puis à trouver un fusible de remplacement avec les valeurs nominales et le comportement de saut appropriés. Aujourd'hui, la plupart des appareils électroniques et des petits appareils sont conçus de manière trop dense pour accueillir des fusibles tubulaires de style plus ancien et utilisent actuellement des types CMS soudés en place, et ne sont donc pas réparables par l'utilisateur. Le simple fait de remplacer un fusible s'est désormais transformé en un changement de carte de circuit imprimé ou en un retour de l'appareil/du dispositif pour une remise en état en usine. La plupart des produits électroniques grand public ne sont pas conçus pour donner accès à un fusible interne remplaçable, car les concepteurs de produits font tout leur possible pour empêcher l'accès à l'intérieur, avec des étiquettes de produits avertissant « Aucune pièce réparable par l'utilisateur à l'intérieur ».
Les interfaces électroniques entre les produits électroniques grand public d'aujourd'hui offrent des performances supérieures et peuvent fournir des courants plus élevés que jamais, comme avec la dernière version de l'interface USB, par exemple. Les câbles et connecteurs d'interface deviennent de plus en plus petits et sont plus facilement endommagés par des utilisateurs négligents qui connectent et utilisent les appareils à leur guise. Le risque qu’un périphérique défectueux ou incompatible soit branché et endommage un produit hôte est préoccupant. Aucun fabricant ne souhaite un retour de produit, surtout sous garantie, et un certain type de composant de protection comme un fusible est idéalement toujours nécessaire, mais peut-être pas un fusible traditionnel. Étant donné le chemin que les choses ont pris, ne serait-il pas agréable d'avoir un « fusible » de protection qui se réinitialise automatiquement une fois le défaut supprimé ? Les appareils PTC de Bel font exactement cela !
Qu'est-ce qu'un fusible PTC ?
Un fusible PTC Bel fonctionne comme une thermistance à coefficient de température positif (PTC) ; c'est-à-dire une résistance dépendante de la température dont la résistance augmente avec l'augmentation de la température. Cependant, un protecteur à réinitialisation automatique Bel PTC diffère d'une thermistance en ce qu'il ne s'agit pas simplement d'un élément de mesure passif, mais qu'il est plutôt conçu pour transporter le courant du circuit et s'auto-chauffera donc en raison de la résistance de son noyau actif ; un polymère infusé de particules de carbone. Un fusible PTC augmente rapidement sa résistance en réponse à une situation de surintensité, de court-circuit ou de surchauffe pour limiter le flux de courant. Le fusible PTC n'est pas détruit de manière permanente par l'événement de fusion et se réinitialise une fois l'alimentation du circuit coupée, le défaut résolu et l'alimentation rétablie. La capacité de réinitialisation permet aux produits électroniques d'être protégés par un PTC, mais élimine la nécessité pour le personnel de service de le remplacer physiquement comme un fusible traditionnel.
Dans la construction, un Bel PTC est constitué d'un bloc de matériau polymère contenant une charge conductrice collée entre deux plaques conductrices. Du courant circule entre elles à travers des milliers de chemins conducteurs formés par le contact physique de particules de carbone adjacentes aléatoires. Alors que le courant traversant le fusible PTC est inférieur à sa valeur nominale IHOLD et sa température inférieure à 100 °C, les voies conductrices traversant l'appareil conduisent le courant avec une faible résistance inférieure à sa valeur nominale R1 MAX. Lorsque la température du fusible PTC approche 130 °C, en raison d'une augmentation de la température ambiante ou d'un courant dépassant sa valeur nominale ITRIP, la dilatation volumétrique du bloc polymère rempli brise la majorité des voies conductrices, entraînant une forte augmentation de la résistance du fusible PTC de plusieurs ordres de grandeur.
Comment réinitialiser les fusibles PTC ?
Dans l'état déclenché, le flux de courant est limité par la nouvelle résistance beaucoup plus élevée, mais il y a toujours suffisamment de courant de fuite à travers le fusible PTC pour permettre à l'auto-échauffement interne de continuer à maintenir le fusible PTC dans l'état déclenché jusqu'à ce que l'alimentation soit complètement coupée. Une fois l'alimentation coupée, le noyau du PTC refroidit et se contracte, permettant aux chaînes conductrices de se reformer et de ramener l'appareil à l'état de faible résistance.
Notez que l'augmentation de température requise pour déclencher un événement de déclenchement peut provenir d'un échauffement interne (c'est-à-dire d'une surintensité) ou de la chaleur provenant d'une source externe adjacente (c'est-à-dire d'un carter de moteur surchauffé). Les PTC répondront aussi bien à l'une ou l'autre condition, ce qui en fait des protecteurs polyvalents tout en offrant leur fonction de réinitialisation automatique.
Une fiche technique Bel PTC spécifie la puissance typique, Pd, nécessaire pour maintenir un PTC dans l'état déclenché dans de l'air calme à 23 °C. Étant donné que la puissance (P) = courant (I) * tension (V) et que, selon la loi d'Ohm, la tension (V) = courant (I) * résistance (R), nous avons P = V^2/R, et donc la résistance approximative d'un PTC déclenché est R = V^2/Pd où Pd est la dissipation déclenchée. Étant donné que le PTC agit pour maintenir une température interne constante, sa résistance apparente déclenchée changera en fonction de la tension appliquée.
Exemple 1 : PTC 1 W sur alimentation 60 V. R_déclenché = 60^2/1 = 3600 ohms.
Exemple 2 : Même PTC 1 W sur une alimentation 12 V. R_déclenché = 12^2/1 = 144 ohms.
Le chiffre donné pour la puissance typique est uniquement « typique » car tous les facteurs physiques qui affectent la perte de chaleur, comme le refroidissement, modifieront la dissipation de puissance nécessaire au PTC pour maintenir sa température interne. En bref, les PTC ne présentent pas de résistance déclenchée quantifiable constante.
Il est important de noter cette différence clé entre un fusible traditionnel et un fusible PTC, à savoir que le circuit de charge n'est pas complètement isolé lors d'un défaut et qu'un chemin de fuite à haute résistance existe toujours à travers lui. Une application typique des PTC est dans les circuits de sécurité en tant que dispositifs de limitation pour fournir une protection contre les surintensités, comme ceux couverts par les normes UL1434 d'UL et EN 60738-1-1 de TUV. Consultez les fiches techniques des appareils pour obtenir davantage d'informations sur les homologations d'agence par appareil.
Outre les interfaces USB, les applications suivantes bénéficient d'une protection CTP :
- Firewire IEEE 1394
- Alimentation électrique par câble Ethernet (PoE)
- Packs de batteries lithium-ion
- Circuits de chargeur de batterie
- Périphériques PC
- Interface du lecteur de disque
- Transformateur
- Interface de ligne de télécommunication
- Moteurs
- Alimentations électriques
- Appareils de chauffage
- Jouets
Fusibles PTC réarmables
Les PTC réarmables Bel sont conçus pour être utilisés dans des applications de -40 °C à +85 °C et sont disponibles dans des boîtiers à broches radiales traditionnels et des boîtiers à puce à montage en surface (CMS) allant de la taille 0603 à 2920.
La série 0ZCM de dispositifs CMS 0603 offre une très petite taille adaptée aux applications de circuits imprimés (PCB) à plus haute densité. La dissipation de puissance Pd typique de ces appareils est de 0,5 W. Des appareils individuels avec un courant de fonctionnement (maintien) spécifique de 50 mA à 200 mA et un courant de déclenchement correspondant de 150 mA à 450 mA respectivement sont disponibles. En fonction de l'appareil sélectionné et des conditions de fonctionnement, cette série offre un temps de déclenchement rapide inférieur à la seconde (0,1 s max.) pour des courants compris entre 500 mA et 2 A et une tension de fonctionnement maximale comprise entre 9 et 15 V.
En comparaison, la série 0ZCF de dispositifs CMS 2920 plus grande convient aux applications PCB de plus haute puissance. La dissipation de puissance typique Pd pour ces appareils est de 1,5 W. Des appareils individuels avec un courant de fonctionnement (maintien) spécifié allant de 300 mA à 3 A et des courants de déclenchement correspondants allant respectivement de 600 mA à 5,2 A sont disponibles. En fonction de l'appareil sélectionné et des conditions de fonctionnement, cette série offre des tensions de fonctionnement maximales de 6 à 60 V. Des PTC à broches radiales sont proposés dans un certain nombre de séries avec un espacement des broches de 5,1 mm et 10,2 mm et sont capables de prendre en charge une tension et un courant de fonctionnement beaucoup plus élevés. Ces appareils conviennent aux applications d'alimentation électrique de ligne, de transformateur et d'appareils électroménagers.
La série 0ZRM prend en charge une tension de fonctionnement maximale de 120 V CA/V CC et peut atteindre jusqu'à 135 V CA/V CC. Des appareils individuels avec un courant de fonctionnement (maintien) spécifié allant de 100 mA à 3,75 A et un courant de déclenchement correspondant de 200 mA à 7,5 A respectivement sont disponibles.
La série 0ZRE prend en charge une tension de fonctionnement maximale de 240 V CA/V CC avec une tension maximale de 265 V CA/V CC. Des appareils individuels avec un courant de fonctionnement (maintien) spécifié allant de 50 mA à 2 A et un courant de déclenchement correspondant de 120 mA à 4 A respectivement sont disponibles.
La série 0ZRA prend en charge un courant de fonctionnement (maintien) très élevé allant jusqu'à 14 A et un courant de déclenchement correspondant jusqu'à 23,8 A.
Limitations des fusibles PTC
Les dispositifs PTC polymères sont uniquement destinés à la protection contre les conditions de défaut occasionnelles de surintensité/surchauffe et peuvent ne pas convenir aux applications où des conditions de défaut répétées et/ou prolongées sont prévues.
Les dispositifs PTC peuvent ne pas être adaptés à une utilisation dans des circuits à grande inductance, car le déclenchement PTC peut générer des pics de tension importants, supérieurs à la tension nominale PTC.