La differenza tra fusibili tradizionali e ripristinabili

Quando un fusibile non è un fusibile?

Le interfacce elettroniche presenti negli attuali prodotti elettronici di consumo garantiscono prestazioni più elevate e possono fornire correnti più elevate che mai. Tuttavia, queste correnti più elevate possono far bruciare i fusibili, la cui sostituzione è difficile se non impossibile. Per evitare di dover sostituire fusibili o interi circuiti, è possibile utilizzare fusibili PTC ripristinabili. I fusibili PTC si ripristinano automaticamente e possono continuare a proteggere i circuiti senza doverli sostituire, riducendo i tempi di fermo e prolungando la durata dell'applicazione.

Cos'è un fusibile tradizionale?

Un fusibile tradizionale è costituito da un pezzo di filo o da un altro collegamento conduttivo con una capacità di carico di corrente nota collocato in serie con un circuito elettrico. Il fusibile funziona esclusivamente come dispositivo di sicurezza, progettato per fondersi e interrompere in modo permanente il flusso di corrente. Durante il funzionamento, i fusibili proteggono i circuiti dai danni causati da sovraccarico o cortocircuito e prevengono il rischio di surriscaldamento e persino di incendio in caso di guasto.

A seconda del circuito da proteggere, i fusibili possono avere una portata che va da pochi milliampere nei piccoli prodotti elettronici di consumo fino a centinaia di ampere nelle applicazioni industriali. La sola corrente nominale non è sufficiente per specificare un fusibile per una determinata applicazione. I fusibili sono classificati anche in base alla tensione, CA e/o CC. La tensione nominale è massima e non può essere superata. Una volta che il fusibile è in funzione, non c'è più il rischio che si crei un arco elettrico attraverso il fusibile. A seconda che il carico sia resistivo o reattivo, sono disponibili fusibili progettati per bruciarsi "rapidamente" in caso di sovraccarico di corrente oppure progettati per consentire un breve sovraccarico per un periodo di tempo definito prima di bruciarsi, spesso chiamati fusibili "a ritardo" o "lenti".

In che modo i parametri del circuito influiscono sulla scelta del fusibile?

Anche i fusibili devono essere selezionati in base ai parametri del circuito. Alcuni circuiti a semiconduttore richiedono che il fusibile intervenga molto rapidamente per evitare danni significativi e costosi ai componenti. Al contrario, i circuiti altamente induttivi o capacitivi, come gli alimentatori, possono generare brevi picchi di corrente all'accensione, in cui la corrente del circuito è ben al di sopra della portata del fusibile per un periodo di tempo molto breve. Circuiti come questo richiedono un fusibile di tipo "ritardato" o "a intervento lento" che consenta di superare queste brevi, ma normali, sovratensioni senza causare il cosiddetto "fastidio di compensazione". Ciò vale anche per le correnti di spunto dei motori e dei trasformatori.

Una cosa che hanno in comune tutti i fusibili è che sono dispositivi "monouso". Quando un fusibile tradizionale è forzato a intervenire, l'installazione di un ricambio esatto dopo aver riparato il guasto sottostante è l'unico modo per ripotenziare il circuito protetto. Ma poiché i sistemi elettronici continuano a ridursi ed evolversi, la natura monouso del fusibile è sottoposta a una pressione sempre maggiore.

I fusibili bruciati devono essere sostituiti?

Prima dell'avvento della miniaturizzazione e dell'ascesa dei microcircuiti, i fusibili delle apparecchiature erano fissati meccanicamente tramite supporti o clip. La riparazione consisteva nell'individuare il fusibile intervenuto, accedere al fusibile bruciato, diagnosticare il problema di fondo e trovare un fusibile sostitutivo con valori nominali e caratteristiche di intervento adeguati. Oggigiorno, la maggior parte dei dispositivi elettronici e dei piccoli elettrodomestici sono progettati in modo troppo denso per ospitare i vecchi fusibili tubolari e utilizzano fusibili SMT saldati in posizione, pertanto non sono riparabili dall'utente. La semplice sostituzione di un fusibile si è ormai trasformata nella sostituzione di una scheda di circuito o nella restituzione del dispositivo/elettrodomestico in fabbrica per la revisione. La maggior parte dei prodotti elettronici di consumo non è progettata per consentire l'accesso a un fusibile interno sostituibile, poiché i progettisti fanno di tutto per impedire l'accesso all'interno: ad esempio apponendo sulle etichette dei prodotti l'avviso "Nessun componente interno riparabile dall'utente".

Le interfacce elettroniche tra i prodotti elettronici di consumo odierni garantiscono prestazioni più elevate e possono fornire correnti più elevate che mai, come ad esempio con l'ultima versione dell'interfaccia USB. I cavi di interfaccia e i connettori diventano sempre più piccoli e più facili da danneggiare dagli utenti distratti che utilizzano liberamente la funzione plug-and-play. È preoccupante il rischio che un dispositivo periferico difettoso o incompatibile venga collegato a un prodotto host e danneggi quest'ultimo. Nessun produttore desidera resi di prodotti, soprattutto in garanzia, e idealmente sarebbe ancora necessario un componente di protezione come un fusibile, ma forse non un fusibile tradizionale. Considerata la piega che hanno preso le cose, non sarebbe bello avere un "fusibile" protettivo che si ripristini automaticamente una volta eliminato il guasto? I dispositivi PTC di Bel fanno proprio questo!

Cos'è un fusibile PTC?

Un fusibile Bel PTC funziona in modo simile a un termistore a coefficiente di temperatura positivo (PTC); vale a dire, un resistore dipendente dalla temperatura la cui resistenza aumenta con l'aumentare della temperatura. Tuttavia, un protettore autoripristinante Bel PTC differisce da un termistore in quanto non è semplicemente un elemento di misurazione passivo, ma è progettato per trasportare corrente nel circuito e quindi si autoriscalda a causa della resistenza del suo nucleo attivo, un polimero infuso di particelle di carbonio. Un fusibile PTC aumenta rapidamente la sua resistenza in risposta a una situazione di sovracorrente, cortocircuito o sovratemperatura per limitare il flusso di corrente. Il fusibile PTC non viene distrutto in modo permanente dall'evento e si ripristina una volta tolta l'alimentazione al circuito, eliminato il guasto e riapplicata l'alimentazione. La capacità di reset consente di proteggere i prodotti elettronici tramite un PTC, eliminando però la necessità per il personale di assistenza di sostituirlo fisicamente come avviene per un fusibile tradizionale.

Un fusibile PTC di Bel è costituito da un blocco di materiale polimerico contenente un riempitivo conduttivo incollato tra due piastre conduttive. La corrente scorre tra di loro attraverso migliaia di percorsi casuali di catene di carbonio formate dal contatto fisico di particelle di carbonio adiacenti casuali. Mentre la corrente attraverso il fusibile PTC è al di sotto del suo valore nominale IHOLD e la sua temperatura è al di sotto di 100°C, i percorsi conduttivi attraverso il dispositivo conducono corrente con una bassa resistenza al di sotto del suo valore nominale R1 MAX. Quando la temperatura del fusibile PTC si avvicina a 130 °C, a causa di un aumento della temperatura ambiente o della corrente che supera il valore nominale ITRIP, l'espansione volumetrica del blocco polimerico riempito rompe la maggior parte dei percorsi conduttivi, determinando un forte aumento della resistenza del fusibile PTC di diversi ordini di grandezza.

Come si ripristinano i fusibili PTC?

Nello stato scattato, il flusso di corrente è limitato dalla nuova resistenza molto più alta, ma la corrente di dispersione che attraversa il fusibile PTC è ancora sufficiente per consentire l'autoriscaldamento interno che continua a mantenere il fusibile PTC nello stato scattato fino a quando l'alimentazione non viene rimossa del tutto. Una volta rimossa l'alimentazione, il nucleo del PTC si raffredda e si contrae, consentendo alle catene conduttive di riformarsi e riportare il dispositivo allo stato di bassa resistenza.

Si noti che l'aumento di temperatura necessario per avviare un evento di scatto può derivare dal riscaldamento interno (ad esempio sovracorrente) o dal calore proveniente da una fonte esterna adiacente (ad esempio un alloggiamento motore surriscaldato). I PTC rispondono ugualmente bene a entrambe le condizioni, il che li rende protettori versatili e dotati anche di una funzione di ripristino automatico.

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

Esempio 1: PTC da 1 W su alimentazione a 60 V. R_scattato = 60^2/1 = 3.600 ohm.

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

Il valore fornito per la potenza tipica è "tipico" solo perché tutti i fattori fisici che influiscono sulla perdita di calore, come il raffreddamento, modificano la dissipazione della potenza necessaria al PTC per mantenere la sua temperatura interna. In breve, i PTC non presentano una resistenza di intervento costante e quantificabile.

È importante notare questa differenza fondamentale tra un fusibile tradizionale e un fusibile PTC, in particolare che il circuito di carico non è completamente isolato durante un guasto e che al suo interno esiste comunque un percorso di dispersione ad alta resistenza. Un'applicazione tipica dei PTC è nei circuiti di sicurezza come dispositivi limitatori per fornire protezione da sovracorrente, come previsto dalle norme UL1434 di UL e EN 60738-1-1 di TUV. Per maggiori informazioni sulle approvazioni dell'agenzia per ciascun dispositivo, consulta le schede tecniche dei dispositivi.

Oltre alle interfacce USB, sono incluse anche altre applicazioni che sfruttano la protezione PTC:

• Firewire IEEE 1394
• Power over Ethernet (PoE)
• Pacchi batteria agli ioni di litio
• Circuiti caricabatteria
• Periferiche per PC
• Interfaccia dell'unità disco
• Trasformatore
• Interfaccia di linea di telecomunicazione
• Motori
• Alimentatori
• Riscaldatori
• Giocattoli

Fusibili PTC ripristinabili

I PTC ripristinabili Bel sono progettati per l'uso in applicazioni da -40°C a +85°C e sono disponibili nei tradizionali package con terminali radiali e nei package per chip a 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 circuiti stampati (PCB) ad altissima densità. La dissipazione di potenza tipica Pd per questi dispositivi è di 0,5 W. Sono disponibili singoli dispositivi con una corrente d'esercizio (di tenuta) specificata che va da 50 a 200 mA e una corrente di scatto corrispondente che va rispettivamente da 150 a 450 mA. A seconda del dispositivo effettivamente selezionato e delle condizioni operative, questa serie offre tempi di intervento rapidi inferiori al secondo (0,1 sec max) per correnti comprese tra 500 mA e 2 A e tensione d'esercizio massima compresa tra 9 e 15 V.

In confronto, i dispositivi SMD 2920 della serie 0ZCF, più grandi, sono adatti ad applicazioni su circuiti stampati di potenza superiore. La dissipazione di potenza tipica Pd per questi dispositivi è di 1,5 W. Sono disponibili singoli dispositivi con una corrente d'esercizio (di tenuta) specificata che va da 300mA a 3 A e una corrente di scatto corrispondente che va rispettivamente da 600 mA a 5,2 A. A seconda del dispositivo effettivamente selezionato e delle condizioni operative, questa serie offre una tensione d'esercizio massima compresa tra 6 e 60 V. I PTC a conduttori radiali sono disponibili in diverse serie con una distanza tra i conduttori di 5,1 mm e 10,2 mm e sono in grado di supportare tensioni e correnti d'esercizio molto più elevate. Questi dispositivi sono adatti per applicazioni su alimentatori a tensione di linea, trasformatori ed elettrodomestici.

La serie 0ZRM supporta una tensione d'esercizio massima di 120 V CA/V CC con una tensione massima di 135 V CA/V CC. Sono disponibili singoli dispositivi con una corrente d'esercizio (di tenuta) specificata che va da 100mA a 3,75 A e una corrente di scatto corrispondente che va rispettivamente da 200 mA a 7,5 A.

La serie 0ZRE supporta una tensione d'esercizio massima di 240 V CA/V CC con una tensione massima di 265 V CA/V CC. Sono disponibili dispositivi individuali con corrente di esercizio (di mantenimento) specificata che va da 50 mA a 2 A e corrente di intervento corrispondente da 120 mA a 4 A rispettivamente.

La serie 0ZRA supporta correnti di esercizio (di mantenimento) molto elevate, fino a 14 A, e correnti di intervento corrispondenti fino a 23,8 A.

Limitazioni dei fusibili PTC

I dispositivi PTC in polimero sono concepiti esclusivamente per la protezione da condizioni di guasto occasionali dovute a sovracorrente/sovratemperatura e potrebbero non essere adatti per applicazioni in cui si prevedono condizioni di guasto ripetute e/o prolungate.

I dispositivi PTC potrebbero non essere adatti all'uso in circuiti con elevata induttanza, dal momento che il trip PTC può generare picchi di tensione superiori alla tensione nominale del PTC.