La différence entre les fusibles traditionnels et réarmables

Quand un fusible n'est-il pas un fusible ?

Les interfaces électroniques dans les produits électroniques grand public d'aujourd'hui offrent des performances plus élevées et peuvent fournir des courants plus élevés que jamais auparavant. Cependant, ces courants plus élevés peuvent entraîner des fusibles grillés qui sont difficiles, voire impossibles, à remplacer. Pour éviter la nécessité de remplacer des fusibles ou des circuits entiers, des fusibles PTC réarmables peuvent être utilisés. Les fusibles PTC se réenclenchent d'eux-mêmes et peuvent continuer à protéger les circuits sans besoin de remplacement, 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 se compose d'un morceau de fil ou d'un autre lien conducteur avec une capacité connue de transport de courant, placé en série avec un circuit électrique. Le fusible fonctionne uniquement comme un dispositif de sécurité conçu pour fondre et interrompre de manière permanente tout flux de courant supplémentaire. En opération, les fusibles protègent les circuits des dommages causés par une surcharge ou un courant de court-circuit, évitant ainsi la surchauffe et même un incendie si une condition de défaut devait survenir.

Selon le circuit à protéger, les fusibles peuvent être évalués de quelques milliampères dans de petits produits électroniques grand public à des centaines d'ampères dans des applications industrielles. La capacité nominale de courant seule n'est pas suffisante pour spécifier un fusible pour une application particulière ; les fusibles sont également évalués pour la tension, CA et/ou CC. La tension nominale est un maximum et ne peut pas être dépassée. Une fois que le fusible fonctionne, il n'y a plus de risque d'arc au niveau du fusible. Selon que la charge est résistive ou réactive, des fusibles sont disponibles, conçus pour fondre "rapidement" en cas de surcharge de courant, ou conçus pour permettre une brève surcharge pendant une période de temps définie avant de fondre, souvent appelés fusibles "temporisés" ou "lents".

Comment les paramètres de circuit affectent-ils le choix du fusible ?

Les fusibles doivent également être sélectionnés en fonction des paramètres du circuit. Certains circuits à semi-conducteurs nécessitent un fusible qui se déclenche très rapidement pour éviter d'endommager gravement/ coûteusement les composants. Inversement, les circuits hautement inductifs ou capacitifs tels que les alimentations peuvent générer des surtensions momentanées à la mise sous tension, où le courant du circuit dépasse largement la capacité nominale d'un fusible pendant un temps très bref. Ces circuits nécessitent un fusible de type « à retard » ou « temporisé » pour permettre de supporter ces surtensions brèves mais normales sans provoquer ce qu'on appelle les « déclenchements intempestifs ». Cela est également vrai pour les courants d'appel des moteurs et transformateurs.

Une caractéristique commune à tous les fusibles est qu'ils sont des dispositifs "à usage unique". Lorsqu'un fusible conventionnel est forcé de se déclencher, installer un remplacement exact après avoir réparé la panne sous-jacente est le seul moyen de réalimenter le circuit protégé. Mais à mesure que les systèmes électroniques continuent de rétrécir et d'évoluer, le caractère à usage unique du fusible est soumis à une pression croissante.

Les fusibles grillés doivent-ils être remplacés ?

Avant l'avènement de la miniaturisation et la montée des microcircuits, les fusibles d'équipement étaient maintenus mécaniquement par des supports ou des clips. Une réparation consistait à déterminer quel fusible avait sauté ; localiser/accéder au fusible grillé ; diagnostiquer le problème sous-jacent, puis trouver un fusible de remplacement avec les bonnes caractéristiques et le comportement adéquat. Aujourd'hui, la plupart des appareils électroniques et petits électroménagers sont conçus de manière trop dense pour accueillir les anciens fusibles tubulaires et utilisent actuellement des types SMT soudés en place, ils ne peuvent donc pas être entretenus par l'utilisateur. L'action de simplement remplacer un fusible s'est maintenant transformée en un changement de carte de circuit ou en un retour de l'appareil pour une remise à niveau en usine. La plupart des produits électroniques grand public ne sont pas conçus pour donner accès à un fusible remplaçable interne, car les concepteurs de produits font en sorte d'empêcher l'accès à l'intérieur, avec des étiquettes de produits avertissant « Aucun élément réparable par l'utilisateur à l'intérieur ».

Les interfaces électroniques entre les produits électroniques grand public d'aujourd'hui offrent des performances plus élevées et peuvent fournir des courants plus élevés que jamais auparavant, 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 branchent et débranchent à volonté. Le risque qu'un périphérique défectueux ou incompatible soit connecté et endommage un produit hôte est préoccupant. Aucun fabricant ne veut de retours de produit, surtout sous garantie, et un composant de protection comme un fusible est idéalement toujours nécessaire, mais peut-être pas un fusible traditionnel. Étant donné la voie que prennent les choses, ne serait-il pas agréable d'avoir un "fusible" de protection qui se réinitialiserait automatiquement une fois qu'une défaillance est supprimée ? Les dispositifs PTC de Bel le font justement !

Qu'est-ce qu'un fusible PTC ?

Un fusible PTC de Bel fonctionne de manière similaire à un thermistor à coefficient de température positif (PTC); c'est-à-dire une résistance dépendant de la température dont la résistance augmente avec l'augmentation de la température. Cependant, un protecteur auto-réarmable PTC de Bel diffère d'un thermistor en ce qu'il n'est pas simplement un élément de mesure passif mais est conçu pour transporter le courant du circuit et s'auto-échauffer 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 surtempérature pour limiter le flux de courant. Le fusible PTC n'est pas détruit de manière permanente par l'événement de fusion et se réinitialise après que l'alimentation du circuit est retirée, la faute corrigée 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 se compose d'un bloc de matériau polymère contenant une charge conductrice, liée entre deux plaques conductrices. Le courant passe entre elles à travers des milliers de chemins aléatoires de chaînes de carbone formés par le contact physique de particules de carbone aléatoires adjacentes. Tant que le courant traversant le fusible PTC est inférieur à sa valeur IHOLD et que sa température est inférieure à 100 °C, les chemins conducteurs à travers le dispositif conduisent le courant avec une faible résistance inférieure à sa valeur R1 MAX. Lorsque la température du fusible PTC approche les 130 °C, en raison d'une augmentation de la température ambiante ou du courant dépassant sa valeur ITRIP, l'expansion volumétrique du bloc de polymère rempli rompt la majorité des chemins conducteurs, entraînant une augmentation rapide 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 reste suffisamment de courant de fuite à travers le fusible PTC pour permettre l'auto-échauffement interne et 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'élévation de température nécessaire pour initier un événement de déclenchement peut provenir d'un échauffement interne (c'est-à-dire surintensité) ou de la chaleur d'une source externe adjacente (c'est-à-dire un boîtier de moteur surchauffé). Les PTC réagiront tout aussi bien à l'une ou l'autre de ces conditions, 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 à 23°C en air immobile. Puisque la puissance (P) = courant (I) * tension (V) et 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 de 1 W sur alimentation 60 V. R_tripped = 60^2/1 = 3600 ohms.

Exemple 2 : Même PTC 1W sur alimentation 12V. R_tripped = 12^2/1 = 144 ohms.

La valeur donnée pour la puissance typique est seulement « typique » car tout facteur physique qui affecte la perte de chaleur, comme le refroidissement, modifiera la dissipation de puissance nécessaire par le PTC pour maintenir sa température interne. En bref, les PTC n'affichent pas une résistance déclenchée constante et quantifiable.

Il est important de noter cette différence clé entre un fusible traditionnel et un fusible PTC, spécifiquement que le circuit de charge n'est pas complètement isolé en cas de défaut et qu'un chemin de fuite à haute résistance existe toujours à travers lui. Une application typique des PTCs est dans les circuits de sécurité en tant que dispositifs limitateurs pour fournir une protection contre les surintensités, comme cela est couvert par l'UL1434 de l'UL et l'EN 60738-1-1 de TUV. Consultez les fiches techniques des appareils pour plus d'informations sur les homologations des organismes de sécurité pour chaque appareil.

Outre les interfaces USB, d'autres applications bénéficient de la protection PTC, notamment :

Fusibles PTC réarmables

Les PTCs réarmables Bel sont conçus pour des applications allant de -40°C à +85°C et disponibles dans des boîtiers traditionnels à fils radiaux et des boîtiers puce montés en surface (SMD) allant de la taille 0603 à 2920.

La série 0ZCM de dispositifs SMD 0603 offre une très petite taille adaptée aux applications de cartes de circuits imprimés (PCB) à la densité la plus élevée. La dissipation de puissance typique Pd pour ces dispositifs est de 0,5 W. Des dispositifs individuels avec un courant de fonctionnement (de maintien) spécifié allant de 50 mA à 200 mA et le courant de déclenchement correspondant de 150 milliamps à 450 mA respectivement sont disponibles. En fonction du dispositif réellement sélectionné et des conditions de fonctionnement, cette série offre un temps de déclenchement rapide inférieur à une seconde (0,1 sec Max) pour des courants dans la plage de 500 mA à 2 A et une tension de fonctionnement maximale dans la plage de 9 à 15 V.

En comparaison, la série plus large 0ZCF des dispositifs SMD 2920 convient aux applications de PCB à plus forte puissance. La dissipation de puissance typique Pd pour ces dispositifs est de 1,5 W. Des dispositifs individuels avec un courant de fonctionnement spécifié (maintien) allant de 300 mA à 3 A et des courants de déclenchement correspondants de 600 mA à 5,2 A respectivement sont disponibles. En fonction du dispositif réellement sélectionné et des conditions de fonctionnement, cette série offre des tensions de fonctionnement maximales de 6 à 60 V. Des PTC à fils radiaux sont proposés dans plusieurs séries avec des espacements de fils de 5,1 mm et 10,2 mm et peuvent supporter des tensions et des courants de fonctionnement beaucoup plus élevés. Ces dispositifs conviennent aux alimentations de tension secteur, aux transformateurs et aux applications d'appareils.

La série 0ZRM prend en charge une tension de fonctionnement maximale de 120 VAC/VDC avec un maximum de 135 VAC/VDC. Des dispositifs 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 supporte une tension de fonctionnement maximale de 240 VAC/VDC avec une tension maximale de 265 VAC/VDC. Des dispositifs 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 très élevé allant jusqu'à 14 A et un courant de déclenchement correspondant allant jusqu'à 23,8 A.

Limitations des fusibles PTC

Les dispositifs PTC en polymère sont uniquement destinés à la protection contre des 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 convenir pour une utilisation dans des circuits avec une grande inductance, car le déclenchement du PTC peut générer des pics de tension importants supérieurs à la tension nominale du PTC.