Każdy ostrożny inżynier-elektronik skoncentrowany na systemach analogowych, jest raczej tradycjonalistą i najczęściej wybiera bezpieczniki termiczne do realizacji zabezpieczeń nadprądowych. Wiele osób nadal pozostaje nieco sceptycznych wobec bezpieczników elektronicznych (również zapisanych jako e-bezpieczniki lub eFuse) ze względu na ich komponenty aktywne. W końcu jeśli chodzi o niezawodność, proste jest prawie zawsze lepsze, a nie ma chyba nic funkcjonalnie prostszego niż bezpiecznik termiczny. Oczywiście, w rzeczywistości, bezpieczniki termiczne nie są aż tak proste – w ich rozwój włożono wiele pracy, zwłaszcza w zakresie technologii materiałowych itp. To, co jest proste to jednak z pewnością ich zasada działania.
Na początek warto ustalić i podkreślić jedną rzecz: standardowy bezpiecznik robi jedną rzecz, robi to dobrze i robi to w całkowicie określony i niezmienny sposób w ramach danego zestawu specyfikacji. Nie można ich zepsuć, ponieważ nie dają żadnych możliwości zewnętrznej manipulacji czy sterowania tymi elementami. Nie mają one żadnych dodatkowych wejść (patrz rysunek 1) do sterowania – jego parametry określane są na etapie specyfikowana konkretnego elementu. Wybrać należy prąd nominalny, opóźnienie zadziałania, materiał, rozmiar fizyczny etc. Po tym po prostu umieszcza się element i naprawdę nie można wiele się pomylić na tym etapie. Oczywiście, każdy z nas może przywołać anegdotyczną opowieść, w której bezpiecznik nie zrobił tego, co powinien, ale wciąż są to rzadkie odstępstwa od pewnej normy.
Bezpiecznik termiczny ma jednak kilka wad, poczynając od czasu potrzebnego na reakcję. W zależności od wartości przetężenia w stosunku do wartości progowej, reakcja i rozwarcie obwodu może zająć od dziesiątek milisekund do nawet dziesiątek sekund. We współczesnych konstrukcjach o niskim napięciu przetężenie ma często niewielką wartość, więc czas reakcji bezpiecznika może być za duży, aby uchronić wrażliwe zespoły obwodów elektronicznych przed uszkodzeniem. Ponadto, standardowy bezpiecznik termiczny musi zostać fizycznie wymieniony po zadziałaniu, co jest wadą wielu (ale nie wszystkich) aplikacji.
Pod względem koncepcyjnym bezpiecznik elektroniczny to prosty obwód elektroniczny, który zapewnia alternatywne podejście do ograniczania i odcinania prądu w sytuacji przetężenia. Ma on wyjątkowe zalety - ponieważ mierzy prąd, a nie jest zależny od ogrzewania termicznego i późniejszego otwarcia elementu liniowego, nie posiada wad typowych bezpieczników termicznych. Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy typowego bezpiecznika elektronicznego. Zbudowany jest on z kilku komponentów analogowych: precyzyjnego rezystora do pomiaru prądu, wzmacniacza z dokładnymi rezystorami skalującymi do wychwytywania wzrostu napięcia na rezystorze pomiarowym, obwodu komparatora do przełączania podczas osiągnięcia progowego prądu oraz tranzystora MOSFET, który służy do sterowania torem prądowym.
Działanie tego obwodu jest dość proste. Zazwyczaj wartość rezystora jest wybierana tak, by spadek napięcia na nim wynosił od 50 do 100 mV przy maksymalnym dopuszczalnym prądzie. Bezpiecznik elektroniczny jest podłączony między szyną zasilającą (lub źródłem zasilania) a obciążeniem, które ma być chronione. Monitorowany prąd przepływa przez rezystor, a spadek napięcia na tym rezystorze jest mierzony i odpowiednio skalowany przez wzmacniacz różnicowy.
Rys.3. Scalony bezpiecznik elektroniczny
z dodatkowymi funkcjami. Jest
programowany za pomocą prostych
zewnętrznych elementów pasywnych;
inne bezpieczniki elektroniczne
zawierają dodatkowe funkcje i funkcje.Chociaż możliwe jest zbudowanie e-bezpiecznika z elementów dyskretnych, większość użytkowników zamiast tego wybiera kompletny, scalony element. Układ taki zawiera wszystkie niezbędne obwody, w tym klucz FET (patrz rysunek 3); niektóre mają nawet wewnętrzny rezystor pomiarowy. Inne bezpieczniki elektroniczne realizują także dodatkowe funkcje, takie jak programowalne przez użytkownika blokowanie przepływu prądu sterowane napięciem (na przykład w przypadku zapadu czy zaniku napięcia) i automatyczne wznawianie działania urządzenia po powrocie zasilania. Dodatkowo, często elementy te obsługują spowolnienie rozruchu, tj. sterowanie narastaniem prądu w czasie rozruchu, które konfigurowane może być za pomocą komponentów zewnętrznych. Ta ostatnia funkcja jest bardzo przydatna do np. kontrolowania prądu rozruchowego podczas uruchamiania wyjątkowo energochłonnych urządzeń.
Początkowo, wydawać się może, że miejsce e-bezpieczników jest w obwodach o niższym prądzie czy napięciu. Wielu elektroników do niedawna sądziło, że nie będą one sprawdzać się w zastosowaniach o wyższych parametrach, które wymagają certyfikacji zgodnie z normami np. Underwriters Laboratories (UL) czy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC), w których bezpiecznik termiczny jest w pełni uznanym środkiem ochrony.
Obecnie jednak nie jest to już prawdą. Niedawno Texas Instruments opublikowało notę aplikacyjną pod nazwą „eFuse: Certyfikacja bezpieczeństwa i dlaczego to ma znaczenie”. W dokumencie tym omówiono, w jaki sposób bezpieczniki elektroniczne odnajdują się w procesie certyfikacji UL/IEC i dlaczego doskonale nadają się do pracy w niemalże każdych warunkach. Teraz wymagania certyfikacyjne są tak skomplikowane, z tak wieloma klauzulami, wyjątkami i zasadami, że każda pomoc jest bardzo pożądana, a każdy element, który jest np. precertyfikowany i pozwala pominąć jakieś krok w procesie dopuszczenia na rynek, jest dobrą rzeczą. Tak właśnie jest z elementami do budowy bezpieczników elektronicznych, dostarczanymi między innymi przez TI.
Dokument TI wyjaśnia tajniki e-bezpieczników w odniesieniu do przepisów, ale także przypomina o kwestiach, które łatwo przeoczyć: bezpieczniki chronią przed przetężeniami i ryzykiem, jakie one niosą dla systemów i ludzi. Nie są one przeznaczone do ochrony przed przepięciami, nawet jeżeli czasami się tak uważa, to jest zadanie dla elementów, takich jak warystory, iskierniki i inne.
Prezentowane przez TI układy działają przy napięciu do 4,5 V do 60 V przy prądzie do 6 A - wyraźnie poniżej napięcia sieciowego, ale nadal są to spore liczby. Szeroki zakres napięć stosowania pokazuje jedną z istotnych różnic – e-bezpieczniki są bardziej elastyczne niż elementy termiczne. Dodatkowo, ograniczenie prądu jest bardzo precyzyjne – prędkość zadziałania układu nie zależy od wartości przetężenia. Układ, po szybkim wyłączeniu obciążenia, może w kontrolowany sposób próbować załączyć się ponownie, sprawdzając wartość płynącego prądu. Dzięki temu, bezpiecznik taki nie wymaga wymiany.
Nowoczesny e-bezpiecznik to znacznie więcej niż prosty układ, ale również więcej niż wyjątkowo niezawodny bezpiecznik termiczny; jest to urządzenie aktywne, choć o bardzo prostej budowie. Być może niektóre projekty wymagają zarówno bezpiecznika elektronicznego, jak i bezpiecznika termicznego, aby uzyskać maksymalną pewność niezawodności systemu, jednakże w większości projektów wystarczy jeden z nich. Czy jednak zastosowanie dwóch wskazuje, że projektant był nadmiernie paranoiczny, a może nie wierzył w niezawodność rozwiązania elektronicznego? Jakie jest Wasze zdanie o zastosowaniu e-bezpieczników w aplikacjach wysokoprądowych?
Źródło: https://www.edn.com/e-fuses-warming-up-to-higher-current-applications/
Na początek warto ustalić i podkreślić jedną rzecz: standardowy bezpiecznik robi jedną rzecz, robi to dobrze i robi to w całkowicie określony i niezmienny sposób w ramach danego zestawu specyfikacji. Nie można ich zepsuć, ponieważ nie dają żadnych możliwości zewnętrznej manipulacji czy sterowania tymi elementami. Nie mają one żadnych dodatkowych wejść (patrz rysunek 1) do sterowania – jego parametry określane są na etapie specyfikowana konkretnego elementu. Wybrać należy prąd nominalny, opóźnienie zadziałania, materiał, rozmiar fizyczny etc. Po tym po prostu umieszcza się element i naprawdę nie można wiele się pomylić na tym etapie. Oczywiście, każdy z nas może przywołać anegdotyczną opowieść, w której bezpiecznik nie zrobił tego, co powinien, ale wciąż są to rzadkie odstępstwa od pewnej normy.
Bezpiecznik termiczny ma jednak kilka wad, poczynając od czasu potrzebnego na reakcję. W zależności od wartości przetężenia w stosunku do wartości progowej, reakcja i rozwarcie obwodu może zająć od dziesiątek milisekund do nawet dziesiątek sekund. We współczesnych konstrukcjach o niskim napięciu przetężenie ma często niewielką wartość, więc czas reakcji bezpiecznika może być za duży, aby uchronić wrażliwe zespoły obwodów elektronicznych przed uszkodzeniem. Ponadto, standardowy bezpiecznik termiczny musi zostać fizycznie wymieniony po zadziałaniu, co jest wadą wielu (ale nie wszystkich) aplikacji.
Pod względem koncepcyjnym bezpiecznik elektroniczny to prosty obwód elektroniczny, który zapewnia alternatywne podejście do ograniczania i odcinania prądu w sytuacji przetężenia. Ma on wyjątkowe zalety - ponieważ mierzy prąd, a nie jest zależny od ogrzewania termicznego i późniejszego otwarcia elementu liniowego, nie posiada wad typowych bezpieczników termicznych. Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy typowego bezpiecznika elektronicznego. Zbudowany jest on z kilku komponentów analogowych: precyzyjnego rezystora do pomiaru prądu, wzmacniacza z dokładnymi rezystorami skalującymi do wychwytywania wzrostu napięcia na rezystorze pomiarowym, obwodu komparatora do przełączania podczas osiągnięcia progowego prądu oraz tranzystora MOSFET, który służy do sterowania torem prądowym.
Działanie tego obwodu jest dość proste. Zazwyczaj wartość rezystora jest wybierana tak, by spadek napięcia na nim wynosił od 50 do 100 mV przy maksymalnym dopuszczalnym prądzie. Bezpiecznik elektroniczny jest podłączony między szyną zasilającą (lub źródłem zasilania) a obciążeniem, które ma być chronione. Monitorowany prąd przepływa przez rezystor, a spadek napięcia na tym rezystorze jest mierzony i odpowiednio skalowany przez wzmacniacz różnicowy.
Rys.3. Scalony bezpiecznik elektroniczny
z dodatkowymi funkcjami. Jest
programowany za pomocą prostych
zewnętrznych elementów pasywnych;
inne bezpieczniki elektroniczne
zawierają dodatkowe funkcje i funkcje.
Początkowo, wydawać się może, że miejsce e-bezpieczników jest w obwodach o niższym prądzie czy napięciu. Wielu elektroników do niedawna sądziło, że nie będą one sprawdzać się w zastosowaniach o wyższych parametrach, które wymagają certyfikacji zgodnie z normami np. Underwriters Laboratories (UL) czy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC), w których bezpiecznik termiczny jest w pełni uznanym środkiem ochrony.
Obecnie jednak nie jest to już prawdą. Niedawno Texas Instruments opublikowało notę aplikacyjną pod nazwą „eFuse: Certyfikacja bezpieczeństwa i dlaczego to ma znaczenie”. W dokumencie tym omówiono, w jaki sposób bezpieczniki elektroniczne odnajdują się w procesie certyfikacji UL/IEC i dlaczego doskonale nadają się do pracy w niemalże każdych warunkach. Teraz wymagania certyfikacyjne są tak skomplikowane, z tak wieloma klauzulami, wyjątkami i zasadami, że każda pomoc jest bardzo pożądana, a każdy element, który jest np. precertyfikowany i pozwala pominąć jakieś krok w procesie dopuszczenia na rynek, jest dobrą rzeczą. Tak właśnie jest z elementami do budowy bezpieczników elektronicznych, dostarczanymi między innymi przez TI.
Dokument TI wyjaśnia tajniki e-bezpieczników w odniesieniu do przepisów, ale także przypomina o kwestiach, które łatwo przeoczyć: bezpieczniki chronią przed przetężeniami i ryzykiem, jakie one niosą dla systemów i ludzi. Nie są one przeznaczone do ochrony przed przepięciami, nawet jeżeli czasami się tak uważa, to jest zadanie dla elementów, takich jak warystory, iskierniki i inne.
Prezentowane przez TI układy działają przy napięciu do 4,5 V do 60 V przy prądzie do 6 A - wyraźnie poniżej napięcia sieciowego, ale nadal są to spore liczby. Szeroki zakres napięć stosowania pokazuje jedną z istotnych różnic – e-bezpieczniki są bardziej elastyczne niż elementy termiczne. Dodatkowo, ograniczenie prądu jest bardzo precyzyjne – prędkość zadziałania układu nie zależy od wartości przetężenia. Układ, po szybkim wyłączeniu obciążenia, może w kontrolowany sposób próbować załączyć się ponownie, sprawdzając wartość płynącego prądu. Dzięki temu, bezpiecznik taki nie wymaga wymiany.
Nowoczesny e-bezpiecznik to znacznie więcej niż prosty układ, ale również więcej niż wyjątkowo niezawodny bezpiecznik termiczny; jest to urządzenie aktywne, choć o bardzo prostej budowie. Być może niektóre projekty wymagają zarówno bezpiecznika elektronicznego, jak i bezpiecznika termicznego, aby uzyskać maksymalną pewność niezawodności systemu, jednakże w większości projektów wystarczy jeden z nich. Czy jednak zastosowanie dwóch wskazuje, że projektant był nadmiernie paranoiczny, a może nie wierzył w niezawodność rozwiązania elektronicznego? Jakie jest Wasze zdanie o zastosowaniu e-bezpieczników w aplikacjach wysokoprądowych?
Źródło: https://www.edn.com/e-fuses-warming-up-to-higher-current-applications/
Fajne? Ranking DIY
