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Se familiariser avec les nombreuses fonctionnalités utiles des fusibles électroniques

Le fusible thermique traditionnel offre un côté très tangible et satisfaisant. Il effectue une action (à savoir, couper définitivement le flux de courant en cas de surintensité), et il l'effectue à la perfection et de manière fiable. Son fonctionnement silencieux n'entraîne par ailleurs aucun désagrément pour l'utilisateur. Il est également possible de vérifier son état visuellement ou facilement à l'aide d'un ohmmètre (Figure 1).

Figure 1 : L'état d'un fusible thermique traditionnel est facile à vérifier. Il est souvent possible d'effectuer une vérification visuelle. Dans le cas contraire, un ohmmètre permet de réaliser un test de continuité simple et sans ambiguïté. (Source de l'image : Wololo.net)

Des milliards de fusibles sont utilisés chaque jour, en tant que première ou dernière ligne de défense contre différentes pannes qui pourraient endommager les composants en aval ou encore provoquer un incendie. Le lien primitif qu'offrent les dispositifs à fusible est peut-être aussi l'une des raisons pour lesquelles nous les aimons tant : ils chauffent et ils fondent, ce qui réveille notre instinct d'hommes des cavernes. Ou peut-être que nous apprécions la noblesse de leur acte lorsqu'ils se sacrifient pour éviter que la source ou la charge soit endommagée.

Quelle que soit la raison de leur popularité, il faut se rendre à l'évidence : les temps changent, les technologies évoluent et les applications se transforment. Par conséquent, le fusible thermique classique ne peut pas offrir toutes les fonctionnalités requises pour répondre aux besoins des conceptions modernes. Le fusible électronique joue un rôle de plus en plus important dans la protection des sous-circuits et des fonctions grâce à ses capacités uniques que l'on ne retrouve pas dans le fusible thermique classique. Mais dans de nombreux cas, son utilisation nécessite de la part du concepteur un « état d'esprit » différent quant au processus de fusion.

Qu'est-ce qu'un fusible électronique ?

Même si les fusibles thermiques et électroniques sont tous deux qualifiés de « fusibles », leurs principes de fonctionnement sont radicalement différents. Le principe du fusible thermique est direct : le courant fait chauffer son élément fusible via la dissipation I2R et le fait fondre si ce courant devient trop élevé. La vitesse de cette fusion et de l'ouverture du trajet du courant dépend de l'ampleur de la surintensité et de sa durée.

Dans le fusible électronique, le courant vers la charge passe par un FET tandis qu'un détecteur de courant dédié mesure ce courant en surveillant la tension qui traverse une résistance de détection. Lorsque la tension détectée dépasse une certaine limite, le FET est désactivé et le flux de courant est interrompu (sauf l'éventuel courant de fuite du FET).

Étant donné ces principes de fonctionnement très différents, le fusible thermique et le fusible électronique présentent également des caractéristiques très différentes. Selon l'application, les attributs du fusible électronique peuvent constituer un avantage ou un inconvénient. Ils incluent les suivants :

  • Une protection très rapide contre les courts-circuits : la technique de protection ultra haute vitesse contre les courts-circuits offre une fusion de base en millisecondes voire en microsecondes, ce qui est beaucoup plus rapide qu'un fusible thermique.
  • La valeur de protection contre la surintensité est assez précise et peut, selon le fusible électronique, être définie par l'utilisateur via des résistances externes ou définie en usine. Cela offre une plus grande précision que les fusibles thermiques qui dépendent (dans un premier temps) d'une combinaison du courant et de la durée.
  • Contrairement à un dispositif à fusible basique, le fusible électronique standard peut automatiquement rétablir le flux de courant une fois que la surcharge diminue.
  • Un fusible électronique peut également empêcher l'application d'une tension excessive à la charge en bloquant les augmentations instantanées de la tension au niveau des sorties.
  • Certains fusibles électroniques peuvent supprimer le courant d'appel via un condensateur externe supplémentaire qui définit la vitesse de balayage au démarrage à la valeur souhaitée.

Grâce à ces fonctionnalités et à ces caractéristiques, le fusible électronique est une bonne option pour les applications comme les contrôleurs remplaçables à chaud ou les sous-circuits automobiles, dans lesquels une brève surintensité ou surtension transitoire potentiellement néfaste doit être supprimée immédiatement, mais après quoi le flux de courant peut reprendre.

Il est possible de concevoir son propre fusible électronique à partir de composants de base, et cela a d'ailleurs déjà été fait. Mais comme souvent, une version sous forme de circuit intégré offre des performances améliorées et constantes dans un boîtier plus compact, ainsi que des fonctionnalités supplémentaires qui seraient difficiles à obtenir dans une version DIY discrète. Un fusible électronique de base ne nécessite en principe que quelques composants, mais dans la pratique, un circuit de fusible électronique complet et plus fonctionnel peut également nécessiter des diodes et des suppresseurs de tension transitoire (TVS), ainsi que quelques résistances et condensateurs.

Par exemple, il existe plusieurs manières d'ajouter la fonctionnalité courante très utile de protection contre la tension inverse : grâce à une diode supplémentaire (avec sa chute de tension directe indésirable), à un circuit à diode idéale avec un MOSFET à canal P, ou à un fusible thermique accompagné d'une diode TVS (Figure 2). Ou alors, on peut opter pour une solution qui présente moins de problèmes de conception et qui offre des performances accrues et entièrement caractérisées : le fusible électronique TPS26620 de Texas Instruments. Mesurant seulement 3 mm × 3 mm, il s'agit également d'une solution plus compacte qu'une version discrète.

Figure 2 : Un fusible électronique discret peut être implémenté de plusieurs manières, (a) grâce à une diode ; (b) grâce à un MOSFET à canal P ; (c) grâce à un fusible thermique accompagné d'une diode TVS ; ou (d) grâce à un fusible électronique TPS26620. (Source de l'image : Texas Instruments)

Si vous optez pour un fusible électronique DIY, il y a une autre raison majeure qui incite à la plus grande prudence : la certification officielle. Tous les fusibles thermiques répondent aux normes réglementaires concernant la protection, ce qui facilite l'approbation du produit. En revanche, un fusible électronique que l'on construit soi-même ne répond pas fondamentalement à ces exigences, notamment (mais sans s'y limiter) en ce qui concerne la fuite en surface et le dégagement (qui dépendent de la tension). Par conséquent, ces fusibles électroniques doivent être certifiés de manière individuelle. Cette certification représente un engagement et des efforts non négligeables, qui peuvent être évités en optant pour l'un des nombreux fusibles électroniques certifiés. Par exemple, le récent fusible électronique de 5 ampères (A) TCKE805NL de Toshiba Semiconductor and Storage Corp. est certifié conforme à la norme CEI62368-1, la nouvelle norme de sécurité des produits basée sur les risques pour les technologies de l'information et de la communication (TIC) et les équipements audio/vidéo (Figure 3).

Figure 3 : Le TCKE805NL de Toshiba répond à la norme de sécurité des produits basée sur les risques CEI62368-1 relativement récente pour les équipements TIC et AV. (Source de l'image : Toshiba Semiconductor and Storage)

Conclusion

Il n'est pas réaliste d'imaginer que les fusibles électroniques remplaceront complètement les fusibles thermiques largement utilisés. Chaque type présente en fait des fonctionnalités et des avantages distincts, et a un rôle précis à jouer dans la conception de circuits et de systèmes modernes. Pour de nombreux concepteurs, la meilleure option consiste à utiliser les deux. Les fusibles électroniques peuvent être utilisés localement, tandis que les fusibles thermiques peuvent être utilisés en tant que filet de sécurité pour les fonctions de plus vastes systèmes où les niveaux de courant et les tensions sont plus élevés et où un flux de courant excessif peut présenter des risques pour le circuit et la sécurité.

Toutefois, l'utilisation de fusibles électroniques seuls ou en combinaison avec des fusibles thermiques nécessite un changement d'état d'esprit lors de l'évaluation des options de fusion disponibles. Au-delà des spécifications de base liées à la valeur limite de courant des deux types de fusible, les paramètres utilisés pour évaluer les fusibles électroniques sont assez différents de ceux utilisés pour les fusibles thermiques et ce contexte doit donc être pris en compte. Lorsqu'ils sont utilisés ensemble, les fusibles thermiques et les fusibles électroniques offrent une puissante combinaison de fonctions, de fonctionnalités, de flexibilité et de fiabilité.

Articles associés :

« Une alimentation appropriée est essentielle pour répondre aux nouvelles exigences de sécurité des produits grand public CEI/UL CEI-62368 »

https://www.digikey.fr/fr/articles/techzone/2019/dec/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate

Tutoriel sur les fusibles

https://www.digikey.fr/fr/articles/fuse-tutorial

Références externes

Texas Instruments, SLVA862A, "Basics of eFuses"

http://www.ti.com/lit/pdf/slva862

Texas Instruments, "eFuse and hot swap controllers"

http://www.ti.com/power-management/power-switches/efuse-hotswap-controllers/overview.html

CUI Devices, "IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment"

https://www.cui.com/catalog/resource/iec-62368-1-an-introduction-to-the-new-safety-standard-for-ict-and-av-equipment.pdf

TUV, "What You Need to Know about IEC 62368-1"

https://insights.tuv.com/blog/what-you-need-to-know-about-iec62368-1

Optimum Design Associates, "Clearance and Creepage Rules for PCB Assembly"

http://blog.optimumdesign.com/clearance-and-creepage-rules-for-pcb-assembly

À propos de l'auteur

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Bill Schweber est ingénieur en électronique. Il a écrit trois manuels sur les systèmes de communications électroniques, ainsi que des centaines d'articles techniques, de chroniques et de présentations de produits. Il a auparavant travaillé en tant que responsable technique de site Web pour plusieurs sites spécifiques pour EE Times et en tant que directeur de publication et rédacteur en chef des solutions analogiques chez EDN.

Chez Analog Devices, Inc. (l'un des principaux fournisseurs de circuits intégrés analogiques et à signaux mixtes), Bill a œuvré dans le domaine des communications marketing (relations publiques). Par conséquent, il a occupé les deux côtés de la fonction RP technique : présentations des produits, des récits et des messages de la société aux médias, et destinataire de ces mêmes informations.

Avant d'occuper ce poste dans les communications marketing chez Analog, Bill a été rédacteur en chef adjoint de leur revue technique respectée et a également travaillé dans leurs groupes de marketing produit et d'ingénierie des applications. Avant d'occuper ces fonctions, Bill a travaillé chez Instron Corp., où il était chargé de la conception de circuits analogiques et de puissance, et de l'intégration de systèmes pour les commandes de machines de test de matériaux.

Il est titulaire d'un master en génie électrique (Université du Massachusetts) et d'un baccalauréat en génie électrique (Université Columbia). Il est ingénieur professionnel agréé, titulaire d'une licence de radioamateur de classe avancée. Bill a également organisé, rédigé et présenté des cours en ligne sur divers sujets d'ingénierie, notamment des notions de base sur les MOSFET, la sélection d'un CAN et la commande de LED.

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