La differenza tra fusibili tradizionali e fusibili ripristinabili

Quando un fusibile non è un fusibile?

Le interfacce elettroniche nei prodotti di elettronica di consumo odierni offrono prestazioni superiori e possono fornire correnti più elevate rispetto al passato. Tuttavia, queste correnti più elevate possono causare la rottura di fusibili, che sono difficili se non impossibili da sostituire. Per evitare la necessità di sostituire fusibili o interi circuiti, si possono utilizzare fusibili PTC ripristinabili. I fusibili PTC si ripristinano autonomamente e possono continuare a proteggere i circuiti senza necessità di sostituzione, riducendo i tempi di inattività e prolungando la vita dell'applicazione.

Cos'è un fusibile tradizionale?

Un fusibile tradizionale consiste in un pezzo di filo o un altro elemento conduttivo con una capacità nota di trasporto di corrente, posizionato in serie con un circuito elettrico. Il fusibile funziona esclusivamente come dispositivo di sicurezza progettato per fondersi e interrompere permanentemente il flusso di corrente. Operando, i fusibili proteggono i circuiti dai danni causati da sovraccarichi o correnti di cortocircuito, prevenendo così il surriscaldamento e persino gli incendi nel caso si verifichi una condizione di guasto.

A seconda del circuito da proteggere, i fusibili possono essere classificati da pochi milliampere nei piccoli prodotti elettronici di consumo a centinaia di ampere nelle applicazioni industriali. Il solo valore della corrente nominale non è sufficiente per specificare un fusibile per una determinata applicazione; i fusibili sono anche classificati in base alla tensione, AC e/o DC. La classe di tensione rappresenta un valore massimo che non può essere superato. Una volta che il fusibile entra in funzione, non vi è alcuna possibilità di innesco di archi elettrici attraverso il fusibile. A seconda che il carico sia resistivo o reattivo, sono disponibili fusibili progettati per “saltare” rapidamente in caso di sovraccarico di corrente, oppure fusibili progettati per tollerare un breve sovraccarico per un periodo di tempo definito prima di intervenire, spesso chiamati fusibili "ritardati" o "lenti".

In che modo i parametri del circuito influenzano la selezione dei fusibili?

Anche i fusibili devono essere selezionati in base ai parametri del circuito. Alcuni circuiti a semiconduttore richiedono un fusibile che si interrompa molto rapidamente per evitare possibili danni significativi/costosi ai componenti. Al contrario, circuiti altamente induttivi o capacitivi, come gli alimentatori, possono generare brevi picchi di corrente all'accensione ("power-up"), durante i quali la corrente del circuito supera di molto il valore nominale del fusibile per un brevissimo periodo di tempo. Circuiti di questo tipo richiedono un fusibile di tipo “Time Lag” o “Slow Blow” per permettere al circuito di resistere a questi picchi brevi ma normali senza causare quello che è noto come “interruzione fastidiosa” ("nuisance clearing"). Questo è vero anche per i picchi di corrente di avviamento di motori e trasformatori.

Una caratteristica comune a tutti i fusibili è che sono dispositivi “usa e getta”. Quando un fusibile convenzionale viene costretto ad aprirsi, installare un ricambio identico dopo aver riparato il guasto sottostante è l'unico modo per riattivare il circuito protetto. Tuttavia, con il continuo ridursi e evolversi dei sistemi elettronici, la natura monouso del fusibile è stata sottoposta a una crescente pressione.

I fusibili bruciati devono essere sostituiti?

Prima dell'avvento della miniaturizzazione e dell'ascesa dei microcircuiti, i fusibili delle apparecchiature erano meccanicamente tenuti da supporti o clip. Una riparazione consisteva nel determinare quale fusibile fosse saltato; localizzare/accedere al fusibile bruciato; diagnosticare il problema sottostante e poi trovare un fusibile di ricambio con le giuste caratteristiche e comportamento di interruzione. Oggi, la maggior parte dell'elettronica e dei piccoli elettrodomestici è progettata in modo troppo compatto per ospitare i vecchi fusibili tubolari e attualmente utilizza tipi SMT saldati in posizione, quindi non sono riparabili dall'utente. L'atto di semplicemente sostituire un fusibile si è ormai trasformato nella sostituzione di una scheda di circuito o nel ritorno del dispositivo/elettrodomestico per una riparazione in fabbrica. La maggior parte dei prodotti elettronici di consumo non è progettata per consentire l'accesso a un fusibile interno sostituibile, poiché i progettisti di prodotti fanno di tutto per impedire l'accesso all'interno, con etichette sui prodotti che avvertono "Nessuna Parte Riparabile dall'Utente Interna".

Le interfacce elettroniche tra i prodotti elettronici di consumo odierni offrono prestazioni più elevate e possono fornire correnti superiori rispetto al passato, come nel caso dell'ultima versione dell'interfaccia USB, per esempio. I cavi e i connettori delle interfacce diventano sempre più piccoli e sono più facilmente danneggiabili da utenti distratti che si collegano e utilizzano a piacimento. Il rischio che un dispositivo periferico difettoso o incompatibile venga collegato e danneggi il prodotto principale è preoccupante. Nessun produttore desidera restituzioni di prodotti, specialmente in garanzia, e qualche tipo di componente di protezione come un fusibile è idealmente ancora necessario, ma forse non un fusibile tradizionale. Visto l'andamento delle cose, non sarebbe utile avere un “fusibile” protettivo che si autoripristini una volta eliminato il guasto? I dispositivi PTC di Bel fanno proprio questo!

Che cos'è un fusibile PTC?

Un fusibile PTC Bel è simile nel funzionamento a un termistore con coefficiente di temperatura positivo (PTC); ovvero, una resistenza dipendente dalla temperatura la cui resistenza aumenta con l'aumento della temperatura. Tuttavia, un protettore auto-reimpostante PTC Bel differisce da un termistore in quanto non è semplicemente un elemento di misurazione passivo, ma è progettato per trasportare corrente di circuito e quindi si auto-riscalda a causa della resistenza del suo nucleo attivo: un polimero infuso con particelle di carbonio. Un fusibile PTC aumenta rapidamente la sua resistenza in risposta a una situazione di sovracorrente, corto circuito o sovratemperatura per limitare il flusso di corrente. Il fusibile PTC non viene permanentemente distrutto dall'evento di fusione e si reimposta dopo che l'alimentazione al circuito viene rimossa, il guasto viene risolto e l'alimentazione viene riapplicata. La capacità di reimpostazione consente ai prodotti elettronici di essere protetti da un PTC, eliminando al contempo la necessità per il personale di servizio di sostituirlo fisicamente, come avviene con un fusibile tradizionale.

Nel campo della costruzione, un Bel PTC consiste in un blocco di materiale polimerico contenente un riempitivo conduttivo, collocato tra due piastre conduttive. La corrente passa tra queste attraverso migliaia di percorsi casuali formati da catene di carbonio, generati dal contatto fisico di particelle di carbonio adiacenti e casuali. Finché la corrente attraverso il fusibile PTC rimane al di sotto del suo valore IHOLD e la sua temperatura sotto i 100°C, i percorsi conduttivi all'interno del dispositivo conducono la corrente con una resistenza bassa, inferiore al valore R1 MAX. Quando la temperatura del fusibile PTC si avvicina ai 130°C, a causa di un aumento della temperatura ambiente o della corrente che supera il valore ITRIP, l'espansione volumetrica del blocco polimerico riempito rompe la maggior parte dei percorsi conduttivi, portando a un significativo aumento della resistenza del fusibile PTC di diversi ordini di grandezza.

Come si ripristinano i fusibili PTC?

Nello stato di intervento, il flusso di corrente è limitato dalla nuova resistenza, molto più alta, ma c'è ancora abbastanza corrente di dispersione che attraversa il fusibile PTC per consentire l'autosurriscaldamento interno di mantenere il fusibile PTC nello stato di intervento fino a che l'alimentazione non venga completamente rimossa. Una volta che l'alimentazione è rimossa, il nucleo del PTC si raffredda e si contrae, permettendo alle catene conduttive di riformarsi e riportare il dispositivo allo stato di bassa resistenza.

Nota che l'aumento di temperatura necessario per innescare un evento di trip può derivare dal riscaldamento interno (cioè sovracorrente) o dal calore proveniente da una fonte esterna adiacente (cioè un involucro motore surriscaldato). I PTC reagiranno ugualmente bene a entrambe le condizioni, rendendoli protettori versatili e offrendo anche la loro funzionalità di auto-reset.

Un datasheet Bel PTC specifica la potenza tipica, Pd, necessaria per mantenere un PTC nello stato di intervento in aria statica a 23°C. Poiché la potenza (P) = corrente (I) * tensione (V) e, secondo la legge di Ohm, la tensione (V) = corrente (I) * resistenza (R), abbiamo P = V^2/R, e quindi la resistenza approssimativa di un PTC in stato di intervento è R = V^2/Pd dove Pd è la dissipazione nello stato di intervento. Poiché il PTC agisce per mantenere una temperatura interna costante, la sua resistenza apparente nello stato di intervento cambierà a seconda della tensione applicata.

Esempio 1: PTC da 1W con alimentazione a 60V. R_tripped = 60^2/1 = 3600 ohm.

Esempio 2: Stesso PTC da 1W con alimentazione di 12V. R_scattata = 12^2/1 = 144 ohm.

Il valore indicato per la potenza tipica è solo "tipico" perché qualsiasi fattore fisico che influisca sulla perdita di calore, come il raffreddamento, modificherà la dissipazione di potenza necessaria al PTC per mantenere la sua temperatura interna. In breve, i PTC non mostrano una resistenza triplicata costante quantificabile.

È importante notare questa differenza fondamentale tra un fusibile tradizionale e un fusibile PTC, in particolare il fatto che il circuito di carico non è completamente isolato durante un guasto e che continua a esistere un percorso di dispersione ad alta resistenza attraverso di esso. Un'applicazione tipica dei PTC è nei circuiti di sicurezza come dispositivi limitatori per fornire protezione contro le sovracorrenti, come previsto dagli standard UL UL1434 e TUV EN 60738-1-1. Consulta le schede tecniche dei dispositivi per ulteriori informazioni sulle approvazioni delle agenzie di sicurezza per ogni dispositivo.

Oltre alle interfacce USB, altre applicazioni che traggono beneficio dalla protezione PTC includono:

Fusibili PTC ripristinabili

I PTC ripristinabili Bel sono progettati per l'uso in applicazioni da -40°C a +85°C e sono disponibili in tradizionali pacchetti a conduttore radiale e in pacchetti chip per montaggio superficiale (SMD) con dimensioni che vanno da 0603 a 2920.

La serie 0ZCM di dispositivi SMD 0603 offre dimensioni molto ridotte, adatte alle applicazioni su schede a circuito stampato (PCB) ad alta densità. La dissipazione di potenza tipica Pd per questi dispositivi è di 0,5 W. Sono disponibili dispositivi individuali con corrente operativa (di mantenimento) specificata che varia da 50 mA a 200 mA e con una corrente di intervento corrispondente da 150 milliampere a 450 mA rispettivamente. A seconda del dispositivo effettivamente selezionato e delle condizioni operative, questa serie offre un tempo di intervento rapido inferiore al secondo (Max 0,1 sec) per correnti nell'intervallo da 500 mA a 2 A e una tensione operativa massima nell'intervallo da 9 a 15 V.

In confronto, la serie più grande 0ZCF di dispositivi SMD 2920 è adatta per applicazioni PCB ad alta potenza. La dissipazione di potenza tipica Pd per questi dispositivi è di 1.5 W. Sono disponibili dispositivi individuali con corrente operativa (di mantenimento) specificata che varia da 300 mA a 3 A e correnti di intervento corrispondenti da 600 mA a 5.2 A rispettivamente. A seconda del dispositivo selezionato e delle condizioni operative effettive, questa serie offre tensioni di esercizio massime da 6 a 60 V. I PTC con terminali radiali sono offerti in diverse serie con spaziatura tra i terminali di 5.1 mm e 10.2 mm e possono supportare tensioni e correnti operative molto più elevate. Questi dispositivi sono adatti per alimentatori di tensione di linea, trasformatori e applicazioni per elettrodomestici.

La serie 0ZRM supporta una tensione operativa massima di 120 VAC/VDC con un massimo di 135 VAC/VDC. Sono disponibili dispositivi individuali con corrente operativa (di mantenimento) specificata che varia da 100 mA a 3,75 A e corrente di intervento corrispondente da 200 mA a 7,5 A rispettivamente.

La serie 0ZRE supporta una tensione operativa massima di 240 VAC/VDC, con una tensione massima di 265 VAC/VDC. Sono disponibili dispositivi individuali con una corrente operativa (di tenuta) specificata che varia da 50 mA a 2 A e una corrispondente corrente di intervento da 120 mA a 4 A rispettivamente.

La serie 0ZRA supporta correnti operative (di mantenimento) molto elevate, fino a 14 A, e una corrente di intervento corrispondente fino a 23,8 A.

Limitazioni dei fusibili PTC

I dispositivi PTC a base di polimeri sono progettati esclusivamente per la protezione contro condizioni occasionali di sovracorrente/sovratemperatura e potrebbero non essere adatti per applicazioni in cui si prevedano condizioni di guasto ripetute e/o prolungate.

I dispositivi PTC potrebbero non essere adatti per l'uso in circuiti con grande induttanza, poiché l'intervento del PTC può generare forti picchi di tensione superiori alla tensione nominale del PTC.