Utiliser des fusibles CMS pour faciliter la configuration, réduire la taille des produits et améliorer la robustesse

Le fusible activé thermiquement est le plus ancien dispositif de protection des circuits et est encore largement utilisé. Il est bien compris, fiable, constant et approuvé par des normes réglementaires. Toutefois, les produits finis étant de plus en plus complexes et compacts, les concepteurs ont besoin d'une alternative au fusible et au porte-fusible remplaçables par l'utilisateur afin de réduire le facteur de forme, de simplifier l'assemblage, d'améliorer la robustesse et de renforcer la sécurité.

Les concepteurs peuvent utiliser des dispositifs à montage en surface (CMS) sans compromettre les performances. Les fusibles CMS font appel à diverses technologies pour fournir une fusion à base thermique, ainsi que toute la gamme des caractéristiques de fusibles nécessaires, comme l'action instantanée et l'action retardée.

Cet article fournit une introduction rapide sur les fusibles, la protection des circuits et les considérations de conception. Il présente ensuite les fusibles CMS de Bourns, y compris leurs caractéristiques principales et la manière dont ils sont appliqués.

Le fusible de base résiste

Le fusible traditionnel avec son élément fusible activé thermiquement a environ 150 ans et il constitue le type de dispositif de protection des circuits le plus connu et le plus direct. Il est fiable et simple à comprendre, avec des performances constantes dans son unique fonction de protection contre les occurrences de surintensité. Cette fonction est exécutée en ouvrant sans ambiguïté et irrévocablement le circuit et en interrompant le flux de courant lorsque le niveau de courant dépasse la quantité déterminée par la conception du fusible.

Un fusible traditionnel est représenté par divers symboles schématiques selon la norme graphique et consiste en un fil métallique dont la conception, les dimensions et les matériaux sont développés avec précision (Figure 1). Lorsque le courant passant par cet élément fusible dépasse une limite prédéfinie pendant une durée suffisante, l'élément fond par auto-échauffement. Cet auto-échauffement est une conséquence directe de la perte de puissance I²R ohmique due au flux de courant dans la résistance de l'élément.

Figure 1 : Le fusible est représenté par l'un des nombreux symboles schématiques selon la norme utilisée. (Source de l'image : ClipArtKey.com)

Les fusibles sont disponibles dans de nombreux types de conditionnement, comme la célèbre petite cartouche en verre de style 3AG mesurant 6,35 millimètres (mm) (¼ pouce) de diamètre et 31,75 mm (1¼ pouce) de longueur. Pour chaque fusible et chaque courant nominal, les vendeurs fournissent des graphiques détaillés montrant la relation entre la valeur de surintensité et le temps accumulé requis pour que l'élément fusible fonde et donc arrête le flux de courant dans le fusible. Cette valeur est appelée I²t, et indique l'énergie thermique disponible résultant du flux de courant, et elle est exprimée en ampères²-seconde (A²s).

Le fusible n'est pas le seul dispositif de protection des circuits utilisé par les concepteurs. Il existe d'autres dispositifs passifs qui fournissent d'autres formes de protection en limitant, bloquant, dérivant ou court-circuitant les pointes excessives de courant ou de tension. Cependant, aucun d'entre eux n'offre la coupure de courant nette et irréversible du fusible. Ils ne remplacent pas la fonction du fusible, mais ils peuvent être utilisés lorsqu'un fusible n'est pas l'option de protection appropriée, ou pour compléter l'action du fusible lorsque cela a un sens technique. Les autres dispositifs de protection des circuits bien connus incluent :

• Varistance à oxyde métallique (MOV)
• Thermistance à coefficient de température positif (CTP)
• Diode de suppression de tension transitoire (TVS)
• Tube à décharge gazeuse (GDT)
• Fusible réarmable polymère CTP

Comme les fusibles, chacun de ces dispositifs a un rôle dans la protection des circuits. Cependant, le coupe-circuit de base, l'élément fusible, conserve son rôle et sa fonction dans de nombreux modèles en raison de la combinaison de ses caractéristiques, notamment la régularité, l'action directe et l'irréversibilité.

Au-delà de l'élément fusible remplaçable

Les fusibles thermiques sont souvent considérés comme des unités remplaçables sur le terrain lorsqu'ils sont associés à un support ou à un porte-fusible approprié. Cependant, permettre le remplacement sur le terrain par l'utilisateur est souvent inutile, et peut même s'avérer indésirable pour de nombreux produits. Cela s'applique aux produits basse puissance tels que les téléphones portables, les décodeurs, les petits chargeurs de batterie, les adaptateurs muraux CA/CC et les jouets ; aux dispositifs de milieu de gamme, notamment les outils électriques, les contrôleurs industriels et les générateurs grand public ; et même aux systèmes à plus haute puissance tels que les chargeurs de véhicules électriques. Considérez ces scénarios :

• Des fusibles de différentes valeurs peuvent être nécessaires pour protéger différents sous-circuits dans un circuit plus grand, y compris ceux avec des trajets de signaux sensibles, plutôt que le produit tout entier.
• L'unité à protéger peut être un produit compact et scellé, comme un smartphone, où le fusible est nécessaire principalement pour protéger la batterie et son circuit de charge, et où il n'y a pas de possibilité d'accès à l'intérieur pour l'utilisateur final.
• Du point de vue de la sécurité, à moins que la raison réelle du fusible grillé ne soit connue, par exemple si un mécanicien a touché par inadvertance un rail d'alimentation et l'a connecté au châssis de la voiture, remplacer un fusible simplement parce que cela est facile est au mieux une perte de temps, et au pire risqué. Par exemple, si un fusible fait partie d'un circuit de protection pour une batterie au lithium et son circuit de charge, il constitue un élément critique de cette fonction. Il est donc essentiel de trouver la cause profonde du déclenchement du fusible plutôt que de le remplacer sans réfléchir.
• Un porte-fusible et ses contacts augmentent les préoccupations relatives à la fiabilité en raison de la corrosion, des vibrations et d'autres facteurs liés à l'environnement de fonctionnement.
• Enfin, il y a la question de la taille : un fusible qui est soudé directement sans support aura une empreinte plus petite et un profil plus bas sur le circuit imprimé.

Pour implémenter des fusibles miniatures sans support en tant que composants CMS et utiliser ainsi des équipements de carte et de soudure standard, il est nécessaire de voir au-delà du fusible traditionnel avec son élément fusible de type fil, tout en conservant le principe d'auto-échauffement qui entraîne la fusion et l'ouverture du chemin du courant.

Un vaste choix de fusibles CMS répond aux défis de la conception moderne

En utilisant des combinaisons de matériaux, de technologies, de formules et de techniques de fabrication, Bourns a développé une gamme de fusibles CMS pouvant fournir la fonction de fusible thermique sur une large plage de courants et de tensions de fonctionnement. Le portefeuille de fusibles CMS SinglFuse de Bourns fait appel à sept technologies de construction de fusibles différentes : pulvérisation à couche mince, circuit imprimé à couche mince, multicouche céramique, laminé à cavité céramique, noyau en fils, tube céramique et cube céramique (Figure 2).

Figure 2 : La gamme SinglFuse est uniquement composée de fusibles CMS, mais la mise en œuvre des nombreuses combinaisons de courant et de tension qu'elle offre fait appel à l'utilisation de sept technologies de fusibles distinctes. (Source de l'image : Bourns)

Cette variété de technologies et d'approches de construction permet à la vaste gamme SinglFuse d'offrir des fusibles présentant un large éventail de spécifications pour des paramètres clés tels que le courant nominal, la tension nominale, la capacité de coupure, la valeur I²t et la température de fonctionnement. En outre, les produits SinglFuse sont conformes aux normes UL, TUV et VDE, et respectent les normes UL 248 et CEI 60127, ce qui facilite la voie vers la certification globale des produits. Pour les applications automobiles exigeant des spécifications complètes et un fonctionnement fiable sur une plage de températures étendue (l'une des nombreuses exigences automobiles), ou pour d'autres environnements de fonctionnement difficiles, des fusibles conformes à la norme AEC-Q200 sont disponibles.

Le petit format CMS ne limite pas les capacités

Il existe des situations où la contrainte de composants plus petits, notamment dans les boîtiers CMS, impose des limites à leurs caractéristiques ou capacités. Ce n'est pas le cas des dispositifs SinglFuse, qui sont disponibles dans des boîtiers s'étendant du format 0402 presque invisible (0,040 pouce × 0,020 pouce ; 1,0 mm × 0,5 mm) pour les plages de courant inférieures au format 3812 (0,150 pouce × 0,100 pouce ; 3,81 mm × 2,54 mm) pour les fusibles de plus grande capacité, mais toujours compacts.

Au fil des ans, les vendeurs de fusibles ont développé des versions spécialisées de dispositifs à élément fusible avec des attributs uniques pour répondre aux besoins des circuits. Compte tenu de cette situation, les dispositifs SinglFuse sont disponibles avec différentes caractéristiques de réponse, notamment :

• Action instantanée
• Précision d'action instantanée : avec une tolérance plus étroite sur les spécifications clés
• Action retardée : pour gérer un courant de pointe temporaire qui dépasse le courant nominal du fusible
• Temporisé : permet une brève surtension électrique avant que le fusible ne se déclenche
• Courant d'appel élevé : pour les courants de démarrage excessifs

Il est à noter que les spécificités des profils courant-temps pour ces différents comportements de fusibles sont définies sur leurs fiches techniques respectives et doivent être étudiées par le concepteur afin d'obtenir la meilleure adéquation avec l'application.

Les extrêmes de courant nominal montrent l'éventail des performances

Les concepteurs peuvent utiliser des fusibles CMS sur une large plage de valeurs de courant nominal. Par exemple, le fusible CMS de précision à action instantanée SF-2410FP0062T-2 est logé dans un tube en céramique avec une empreinte EIA 2410 (6125 métrique), et il mesure environ 6 mm de long et 2,1 mm × 2,6 mm sur l'extrémité rectangulaire (Figure 3).

Figure 3 : Le SF-2410FP0062T-2 de Bourns est un fusible CMS de précision à action instantanée en boîtier rectangulaire. (Source de l'image : Bourns)

Ce fusible est spécifié pour un fonctionnement CA/CC de 125 volts (V) et il présente un courant nominal de 62 milliampères (mA) ainsi qu'une valeur I²t typique de 0,0012 A²s. Bien que la spécification sommaire de haut niveau indique qu'il s'ouvre dans les cinq secondes à 200 % du courant nominal, les utilisateurs voudront probablement étudier ses graphiques de performances qui quantifient la durée de pré-arc (Figure 4) et la valeur I²t (Figure 5), indicateurs clés du temps de réponse des fusibles. Les concepteurs doivent être conscients de la chute de tension IR dans le fusible lorsqu'il fonctionne dans les limites de son courant nominal en raison de sa résistance d'environ 6 ohms (Ω) ; cette chute est inférieure à 40 millivolts (mV) maximum.

Figure 4 : La fiche technique du SF-2410FP0062T-2 fournit des détails sur la durée de pré-arc du fusible à partir d'un très faible courant jusqu'à son maximum nominal, un paramètre qui définit le profil réponse-courant du fusible. (Source de l'image : Bourns)

Figure 5 : La fiche technique du SF-2410FP0062T-2 montre également le profil I²t critique pour l'énergie thermique accumulée à différents niveaux de courant. (Source de l'image : Bourns)

Une gamme et un profil de performances très différents sont offerts par le fusible à action retardée SF-1206S700 (Figure 6), un dispositif de 7 A spécifié pour s'ouvrir en cinq secondes à 250 % de son courant nominal maximum.

Figure 6 : Le fusible à action retardée à montage en surface SF-1206S700 de la série SF-1206S de Bourns est un dispositif de 7 A qui est spécifié pour s'ouvrir en 5 secondes à 250 % de son courant nominal maximum. (Source de l'image : Bourns)

Le SF-1206S700 utilise une technologie et un boîtier différents de ceux du SF-2410FP-T, et il est fourni en boîtier plat 3216 (EIA 1206, 1,55 mm × 3,1 mm) ne mesurant que 0,6 mm de haut grâce à sa construction à couches minces (Figure 7). Sa résistance d'à peine 7 milliohms (mΩ) assure une faible chute IR d'un peu moins de 50 mV au courant maximum.

Figure 7 : Cette vue en coupe du fusible CMS à action retardée SF-1206S700 donne un aperçu des matériaux et des technologies sophistiqués qui entrent dans la fabrication du dispositif. (Source de l'image : Bourns)

Bien que la fiche technique de ce fusible présente des graphiques similaires à ceux du fusible SF-2410FP-T de 62 mA, en tant que fusible à action retardée, il nécessite également une courbe de détarage I²T par rapport à une courbe de courant d'appel répété, définissant plus précisément les performances d'un fusible à action retardée avec un fonctionnement répété du circuit marche/arrêt complet (Figure 8).

Figure 8 : Les fusibles à action retardée sont souvent soumis à des cycles de courants d'appel élevés répétés. La fiche technique du SF-1206S700 clarifie donc l'effet de ces cycles sur le comportement des fusibles. (Source de l'image : Bourns)

Il est utile pour les concepteurs d'évaluer concrètement les différents fusibles en fonction de leur type, de leur valeur et de leur taille, mais c'est une tâche complexe. Contrairement aux composants actifs (amplificateurs opérationnels, par exemple) ou passifs (résistances, indicateurs, condensateurs), un fusible est un dispositif à usage unique et il ne peut être testé qu'en le poussant à s'autodétruire efficacement. Par conséquent, il est utile de disposer de multiples de valeurs et de types de fusibles différents pour l'évaluation.

Pour faciliter ce processus, Bourns propose le kit SinglFuse SMD FuseLab SF-SP-LAB1 pour le test rapide de prototypes (Figure 9). Ce kit contient cinq fusibles de chaque des 18 fusibles à action retardée (90 pièces au total) en formats 0402, 0603 et 1206 (1608 à 3216, métrique) ; le kit SF-FP-LAB1 similaire contient 160 pièces de fusibles de précision à action instantanée (cinq de chacune des 32 valeurs) en formats 0402 à 1206 (1005 à 3216, métrique).

Figure 9 : Comme les tests impliquent souvent l'auto-destruction des fusibles, les kits de conception tels que le kit SinglFuse SMD FuseLab SF-SP-LAB1 pour les fusibles à action retardée facilitent la tâche du concepteur devant évaluer la taille, le montage, les problèmes thermiques, les performances et d'autres aspects. (Source de l'image : Bourns)

Conclusion

Malgré leur simplicité conceptuelle, les fusibles thermiques sont des composants électriques et mécaniques passifs sophistiqués, basés sur des considérations thermiques, matérielles et de fabrication avancées. À mesure que la taille des circuits et des produits se réduit, rendant le remplacement d'un fusible par l'utilisateur de plus en plus compliqué, imprudent, voire dangereux, le recours à des fusibles à montage en surface (CMS), manipulés comme n'importe quel autre dispositif CMS, devient évident. De plus, les fusibles CMS simplifient les processus d'assemblage et de fabrication et réduisent la sensibilité d'une conception aux vibrations et à la corrosion.

Comme illustré, la série de fusibles CMS SinglFuse de Bourns offre aux concepteurs un vaste choix de gammes et de types de protection contre les surintensités pour répondre aux besoins actuels des produits et des processus de fabrication de circuits imprimés.

Études complémentaires :

1. Tutoriel sur les fusibles CMS SinglFuse
2. Fusibles CMS SinglFuse de Bourns
3. Kits de conception de fusibles CMS SinglFuse temporisés et à action instantanée de précision

Référence

1. 8e conférence internationale IEEE 2007 sur les fusibles électriques et leurs applications, "To the origins of fuses"