Usar fusibles SMD para facilitar el diseño para reducir el tamaño del producto y mejorar la resistencia

El fusible activado térmicamente es el dispositivo de protección de circuitos más antiguo y todavía se utiliza ampliamente. Es fácil de comprender, fiable y coherente y está aprobado por las normas reglamentarias. Sin embargo, dado que los productos finales aumentan en complejidad y se reducen en tamaño, los diseñadores necesitan una alternativa al fusible sustituible por el usuario y al portafusibles para reducir el factor de forma, simplificar el montaje, mejorar la resistencia y aumentar aún más la seguridad.

En su lugar, los diseñadores pueden usar dispositivos de montaje en superficie (SMD) sin comprometer el rendimiento. Los fusibles SMD emplean diversas tecnologías para proporcionar una fusión de base térmica junto con toda la gama de características necesarias de los fusibles, como la de acción rápida y la de acción lenta.

Este artículo proporcionará una rápida introducción a los fusibles, la protección de los circuitos y las consideraciones de diseño. A continuación, introducirá y describirá los fusibles SMD de Bourns, incluyendo sus características principales y cómo se aplican.

El fusible básico perdura

El fusible tradicional con su eslabón de fusible activado térmicamente tiene unos 150 años y es el tipo más conocido y directo de dispositivo de protección de circuitos. Es fiable y fácil de entender, con una actuación coherente en su única función de proporcionar protección contra las sobrecorrientes. Lo hace abriendo de forma inequívoca e irrevocable el camino del circuito e interrumpiendo el flujo de la corriente cuando el nivel de la misma excede la cantidad determinada por el diseño del fusible.

Un fusible tradicional está representado por varios símbolos esquemáticos dependiendo del estándar gráfico y consiste en un alambre metálico que está diseñado con precisión en cuanto a su diseño, dimensiones y materiales (Figura 1). Cuando la corriente que pasa a través de este eslabón fusible excede un límite preestablecido durante suficiente tiempo, el eslabón se derretirá al auto-calentarse. Este auto-calentamiento es una consecuencia directa de la pérdida de energía óhmica de I²R debido al flujo de corriente a través de la resistencia del enlace.

Figura 1: El fusible está representado por uno de varios símbolos esquemáticos dependiendo de la norma que se utilice. (Fuente de la imagen: ClipArtKey.com)

Los fusibles están disponibles en muchos tipos de paquetes, como el conocido cartucho de vidrio pequeño estilo 3AG que mide ¼ pulgadas de diámetro y 1¼ pulgadas de largo. Para cada fusible y capacidad de corriente, los proveedores proporcionan gráficos detallados que muestran la relación entre el valor de sobrecorriente y el tiempo acumulado que se requiere para que el elemento fusible se derrita y, por lo tanto, detenga el flujo de corriente a través del fusible. Esto se conoce como la clasificación I² que indica la energía térmica disponible resultante del flujo de corriente y tiene unidades de amperios²-segundos (A²s).

El fusible no es el único dispositivo de protección de circuitos usado por los diseñadores. Hay otros dispositivos pasivos que proporcionan otras formas de protección limitando, bloqueando, desviando o "crowbarrando" los picos excesivos de corriente o voltaje. Ninguno de ellos, sin embargo, ofrece el claro e irreversible corte de corriente del fusible. No sustituyen la función del fusible, pero pueden utilizarse cuando un fusible no es la opción de protección adecuada, o para complementar la acción del fusible cuando tiene sentido desde el punto de vista técnico. Entre los otros conocidos dispositivos de protección de circuitos están los:

• Varistor de óxido de metal (MOV)
• Termistor de coeficiente de temperatura positiva (PTC)
• Diodo supresor de voltaje transitorio (TVS)
• Tubo de descarga de gas (GDT)
• Fusible reajustable de PTC de polímero

Al igual que los fusibles, cada uno de ellos tiene un papel en la protección de los circuitos, pero el eslabón fusible básico de ruptura de circuitos conserva su papel y su función en muchos diseños debido a su combinación de características como la consistencia, la acción directa y la irreversibilidad.

Más allá del eslabón fusible reemplazable

Se suele suponer que los fusibles térmicos son unidades sustituibles sobre el terreno cuando se combinan con un portafusibles o un enchufe adecuado. Dicho esto, permitir la sustitución del campo por el usuario suele ser innecesario y puede ser indeseable para muchos productos. Esto se aplica a los productos de menor potencia, como teléfonos móviles, decodificadores, cargadores de baterías pequeñas, adaptadores de pared de CA/CC y juguetes; dispositivos de gama media como herramientas eléctricas, controladores industriales y generadores de consumo; e incluso sistemas de mayor potencia como cargadores de vehículos eléctricos (EV). Considere estos escenarios:

• Pueden ser necesarios fusibles de diferentes grados para proteger diferentes subcircuitos de un circuito mayor, incluidos los que tienen trayectorias de señales sensibles, en lugar de todo el producto.
• La unidad que se está fusionando puede ser un producto diminuto y sellado, como un teléfono inteligente, en el que el fusible se necesita principalmente para proteger la batería y su circuito de carga, y no hay opción para el acceso del usuario final al interior.
• Desde una perspectiva de seguridad, a menos que se conozca la verdadera razón de la ruptura del fusible, como que un mecánico haya tocado inadvertidamente un riel de alimentación y lo haya conectado al chasis del coche, reemplazarlo solo porque es fácil de hacer es una pérdida de tiempo en el mejor de los casos, y arriesgado en el peor. Por ejemplo, si un fusible forma parte de un circuito de protección para una batería de litio y su circuito de carga, es un elemento crítico de esa función. Por lo tanto, es esencial encontrar la raíz de la causa de la "ruptura" del fusible en lugar de reemplazarlo a ciegas.
• Un portafusibles y sus contactos aumentan las preocupaciones sobre la fiabilidad debido a la corrosión, la vibración y otros factores del entorno operativo.
• Por último, está la cuestión del tamaño: un fusible que se suelda en su lugar sin un soporte tendrá una huella más pequeña y un perfil más bajo en la placa de PC.

Para implementar fusibles diminutos sin soporte como SMD y así utilizar la población de placas y el equipo de soldadura estándar, es necesario mirar más allá del fusible tradicional con su eslabón fusible tipo alambre, conservando al mismo tiempo el principio de autocalentamiento que se funde y abre así el camino de la corriente.

La amplia gama de fusibles SMD satisface los desafíos del diseño moderno

Mediante el uso de combinaciones de materiales, tecnologías, formulaciones y técnicas de fabricación, Bourns ha desarrollado una familia de fusibles SMD que pueden proporcionar la función de fusible térmico en una amplia gama de corrientes y voltajes de funcionamiento. La cartera de productos de fusibles SMD SinglFuse de Bourns emplea siete tecnologías diferentes de construcción de fusibles: pulverización de película delgada, placa de PC de película delgada, multicapa de cerámica, laminado de cavidad de cerámica, núcleo de alambre, tubo de cerámica y cubo de cerámica (Figura 2).

Figura 2: La familia SinglFuse está compuesta únicamente por fusibles SMD, pero la implementación de las muchas combinaciones de corriente y voltaje que ofrece requiere el uso de siete tecnologías de fusibles distintas. (Fuente de la imagen: Bourns)

Esta variedad de tecnologías y enfoques de construcción permite al amplio portafolio de SinglFuse ofrecer fusibles con una amplia gama de especificaciones a través de parámetros clave como la corriente nominal, el voltaje nominal, la capacidad de ruptura, I²t y la temperatura de operación. Además, los productos SinglFuse cumplen con las normas UL, TUV y VDE, y se ajustan a los estándares UL 248 y IEC 60127, lo que facilita el camino hacia la certificación general del producto. Para aplicaciones de automoción en las que se requieren especificaciones completas y un funcionamiento fiable en una amplia temperatura, uno de los muchos mandatos de automoción, o para otros entornos operativos difíciles, hay disponibles fusibles que cumplen con la AEC-Q200.

El pequeño tamaño de la SMD no limita las capacidades

Hay situaciones en las que el imperativo de los componentes más pequeños, especialmente en los paquetes SMD, impone límites a sus características o capacidades. Este no es el caso de los dispositivos SinglFuse, que están disponibles en tamaños de paquete desde un 0402 casi invisible (0.040 pulgadas × 0.020 pulgadas; 1.0 × 0.5 milímetros (mm)) en los rangos de corriente más bajos hasta un 3812 (0.150 pulgadas × 0.100 pulgadas; 3.81 × 2.54 mm) para los fusibles de mayor capacidad, que sigue siendo un tamaño diminuto.

A lo largo de los años, los fabricantes de fusibles han desarrollado versiones especializadas de dispositivos de eslabones fusibles con atributos únicos para satisfacer las necesidades de los circuitos. Reconociendo esta situación, los dispositivos SinglFuse están disponibles con diferentes características de respuesta, incluyendo:

• Acción rápida
• Precisión de acción rápida: con una tolerancia más estricta en las especificaciones clave
• Golpe lento: para manejar una corriente de aumento temporal que excede la capacidad de corriente del fusible
• Retraso temporal: permite una sobrecarga eléctrica por un corto tiempo antes de que explote
• Alta corriente de entrada: para corrientes de arranque excesivas

Obsérvese que los detalles de los perfiles de corriente en relación con el tiempo para estas diferentes "personalidades" de los fusibles se definen en sus respectivas hojas de datos y deben ser estudiados por el diseñador para obtener la mejor correspondencia con la aplicación.

Los extremos de la clasificación actual muestran el rango de rendimiento.

Los diseñadores pueden usar fusibles SMD en un amplio rango de valores nominales de corriente. Por ejemplo, el fusible de precisión SMD de acción rápida SF-2410FP0062T-2 está alojado en un tubo de cerámica con una huella EIA 2410 (6125 métrica), y mide unos 6 mm de largo y 2.1 × 2.6 mm en el extremo rectangular (Figura 3).

Figura 3: El Bourns SF-2410FP0062T-2 es un fusible SMD de precisión de acción rápida en un paquete rectangular. (Fuente de la imagen: Bourns)

Este fusible está especificado para un funcionamiento de 125 voltios CA/CC y tiene una capacidad nominal de 62 miliamperios (mA) junto con una capacidad típica de I²t de 0,0012 A²s. Si bien la especificación resumida de nivel superior es que se abre en un plazo de cinco segundos al 200% de la corriente nominal, es probable que los usuarios quieran estudiar sus gráficos de rendimiento que cuantifican el tiempo de prearranque (Figura 4) y la clasificación I²t (Figura 5), indicadores clave del tiempo de respuesta de los fusibles. Los diseñadores deben ser conscientes de la caída de voltaje IR a través del fusible cuando se opera dentro de su rango de corriente debido a su resistencia de alrededor de 6 Ohms (Ω); esta caída está por debajo de los 40 milivoltios (mV) como máximo.

Figura 4: La hoja de datos del SF-2410FP0062T-2 incluye detalles sobre el tiempo de prearranque del fusible desde una corriente muy baja hasta su máximo nominal, un parámetro que define el perfil de respuesta del fusible frente a la corriente. (Fuente de la imagen: Bourns)

Figura 5: La hoja de datos del SF-2410FP0062T-2 también muestra el perfil crítico de I²t para la energía térmica acumulada en diferentes niveles de corriente. (Fuente de la imagen: Bourns)

El fusible de fusión lenta SF-1206S700 (Figura 6), un dispositivo de 7 A especificado para abrirse en cinco segundos al 250% de su máxima corriente nominal, ofrece un perfil de alcance y rendimiento muy diferente.

Figura 6: El SF-1206S700 de montaje en superficie de golpe lento de la serie SF-1206S de Bourns es un dispositivo de 7 A que está especificado para abrirse en cinco segundos al 250% de su máxima corriente nominal (Fuente de la imagen: Bourns)

El SF-1206S700 utiliza un paquete y una tecnología diferente al SF-2410FP-T, y viene en un paquete plano 3216 (EIA 1206, 1.55 × 3.1 mm) que mide solo 0.6 mm de alto debido a su construcción de película delgada (Figura 7). Su resistencia de solo 7 miliohms (mΩ) asegura una baja caída de IR de poco menos de 50 mV a la corriente máxima.

Figura 7: Este recorte del fusible SMD de fusión lenta SF-1206S700 da una pista de los sofisticados materiales y tecnología que se utilizan para fabricar el dispositivo. (Fuente de la imagen: Bourns)

Aunque la hoja de datos de este fusible tiene gráficos similares a los del fusible SF-2410FP-T de 62 mA, como fusible de fusión lenta también necesita una curva de "Curva de reducción de potencia I²T frente a la corriente de activación del repetidor" que define aún más el rendimiento de un fusible de fusión lenta con funcionamiento repetido de circuito completo de encendido/apagado (Figura 8).

Figura 8: Los fusibles de combustión lenta están a menudo sujetos a repetidos ciclos de alta corriente de arranque, por lo que la hoja de datos del SF-1206S700 aclara el efecto de esos ciclos en el comportamiento de los fusibles. (Fuente de la imagen: Bourns)

Es útil para los diseñadores evaluar de forma práctica los diferentes fusibles con respecto a su tipo, clasificación y tamaño, pero hay un desafío al hacerlo. A diferencia de los componentes activos (amplificadores de potencia, por ejemplo) o pasivos (resistencias, indicadores, condensadores), un fusible es un dispositivo que se utiliza una sola vez y solo puede probarse plenamente empujándolo para que se autodestruya eficazmente. Por consiguiente, es útil tener a mano múltiplos de diversos valores y tipos de fusibles para su evaluación.

Para facilitar este proceso, Bourns ofrece el kit SMD FuseLab SinglFuse SF-SP-LAB1 para la prueba rápida de prototipos (Figura 9). Contiene cinco de cada uno de los 18 fusibles de combustión lenta (total de 90 piezas) en los paquetes de fusibles de tamaño 0402, 0603 y 1206 (métrica 1608 a 3216); el kit similar SF-FP-LAB1 tiene 160 piezas de fusibles de precisión de acción rápida (cinco de cada uno de los 32 valores) en los paquetes 0402 a 1206 (métrica 1005 a 3216).

Figura 9: Como las pruebas suelen hacer que los fusibles se autodestruyan, los kits de diseño como este SF-SP-LAB1 SinglFuse SMD FuseLab Kit para fusibles de fusión lenta facilitan la tarea del diseñador para evaluar el tamaño, el montaje, los problemas térmicos, el rendimiento y otras cuestiones. (Fuente de la imagen: Bourns)

Conclusión:

A pesar de su simplicidad conceptual, los fusibles térmicos son componentes eléctricos y mecánicos sofisticados y pasivos basados en consideraciones térmicas, de materiales y de fabricación avanzadas. A medida que los circuitos y productos se encogen, haciendo que la sustitución de un fusible por parte del usuario sea cada vez más impracticable, imprudente o incluso peligrosa, se hace evidente la necesidad de utilizar fusibles de dispositivo de montaje en superficie (SMD), que se manejan como cualquier otro dispositivo SMD. Además, los fusibles SMD simplifican el proceso de ensamblaje y fabricación y reducen la susceptibilidad de un diseño a la vibración y la corrosión.

Como se muestra, la serie de fusibles SMD de Bourns SinglFuse ofrece a los diseñadores una amplia gama y tipos de protección contra sobrecorrientes para satisfacer las necesidades de los productos y los procesos de fabricación de placas de computadoras personales de hoy en día.

Estudio adicional:

1. Tutorial de Fusibles SMD SinglFuse
2. Bourns SinglFuse Fusibles SMD
3. Kits de diseño de fusibles SMD SinglFuse de acción rápida y con desfase temporal

Referencia

1. IEEE 2007 8ª Conferencia Internacional sobre Fusibles Eléctricos y sus Aplicaciones, "A los orígenes delos fusibles"