Use fusíveis SMDs para facilitar o layout, reduzir o tamanho do produto e melhorar a robustez

O fusível ativado termicamente é o dispositivo de proteção de circuito mais antigo e ainda é muito usado. Ele é bem conhecido, confiável, consistente e aprovado pelas normas regulatórias. Porém, com o aumento de produtos finais em complexidade e diminuição de tamanho, os projetistas precisam de uma alternativa para o fusível trocável pelo usuário e porta-fusível para reduzir o fator de forma, simplificar a montagem, melhorar a robustez e ainda otimizar a segurança.

No lugar, os projetistas podem usar dispositivos de montagem em superfície (SMDs) sem comprometer o desempenho. Os fusíveis SMDs empregam várias tecnologias para fornecer proteção por meio da fusão térmica, aliada com a gama completa das suas características necessárias, como os de ação rápida e retardada.

Este artigo fornecerá uma introdução rápida sobre fusíveis, proteção de circuito e considerações de projeto. Depois, introduzirá e descreverá os fusíveis SMD da Bourns, incluindo as características primárias e como elas são aplicadas.

O fusível básico perdura

O fusível tradicional com sua ligação fundível termicamente possui cerca de 150 anos e é o tipo dispositivo de proteção de circuito mais bem conhecido e direto. É confiável e simples de compreender, com consistência de desempenho em sua função simples e fornece proteção contra ocorrências de sobrecorrente. Ele faz isso de forma inequívoca e irrevogável, abrindo o caminho do circuito e interrompendo o fluxo de corrente quando o nível de corrente excede a quantidade determinada pelo projeto do fusível.

Um fusível tradicional é representado por vários símbolos esquemáticos dependendo do padrão gráfico e consiste em um fio de metal que é precisamente projetado em termos de design, dimensões e materiais (figura 1). Quando a corrente que passa por esta ligação fundível excede um limite pré-definido por tempo suficiente, a ligação derrete enquanto se auto-aquece. Este auto-aquecimento é uma consequência direta da perda de potência ôhmica I²R devido ao fluxo de corrente através da resistência da ligação.

Figura 1: o fusível é representado por um dos vários símbolos esquemáticos, dependendo do padrão em uso. (Fonte da imagem: ClipArtKey.com)

Os fusíveis estão disponíveis em muitos tipos de invólucros, como o conhecido cartucho de vidro pequeno do tipo 3AG, que mede 6,35 mm de diâmetro e 31,75 mm de comprimento. Para cada fusível e classificação de corrente, os fornecedores fornecem gráficos detalhados que mostram a relação entre o valor de sobrecorrente e o tempo acumulado necessário para o elemento fusível derreter e, assim, interromper o fluxo de corrente através dele. Isso é conhecido como a classificação I²t que indica a energia térmica disponível resultante do fluxo de corrente e tem unidades de amperes²-segundos (A²s).

O fusível não é o único dispositivo de proteção de circuito usado pelos projetistas. Existem outros dispositivos passivos que fornecem outras formas de proteção, limitando, bloqueando, desviando ou “forçando” surtos excessivos de corrente ou tensão. Nenhum deles, entretanto, oferece o corte de corrente bem definido e irreversível do fusível. Eles não substituem a função do fusível, mas podem ser usados onde um fusível não é a opção de proteção apropriada, ou para complementar a ação do fusível onde fizer sentido técnico. Entre os outros dispositivos de proteção de circuito bem conhecidos estão:

• Varistor de óxido metálico (MOV)
• Termistor de coeficiente positivo de temperatura (PTC)
• Diodo supressor de tensão transiente (TVS)
• Centelhador a gás (GDT)
• Fusível rearmável de polímero PTC

Como os fusíveis, cada um deles tem uma função no fornecimento de proteção de circuito, embora o rompimento básico do circuito pela ligação fundível retenha seu papel e função em muitos projetos devido à sua combinação de características, incluindo consistência, ação direta e irreversibilidade.

Além da ligação fundível substituível

Muitas vezes, presume-se que os fusíveis térmicos sejam unidades substituíveis em campo quando combinados com um porta-fusível ou soquete adequado. Dito isso, permitir a substituição em campo pelo usuário geralmente é desnecessário e pode ser indesejável para muitos produtos. Isso se aplica a produtos de baixa potência, como telefones celulares, decodificadores, pequenos carregadores de bateria, adaptadores de parede CA/CC e brinquedos; dispositivos de médio alcance, incluindo ferramentas elétricas, controladores industriais e geradores de consumo; e sistemas de potência ainda mais alta, como carregadores de veículos elétricos (EV). Considere estes cenários:

• Fusíveis de classificações diferentes podem ser necessários para proteger diferentes sub-circuitos de um circuito maior, incluindo aqueles com caminhos sensíveis de sinal, em vez de todo o produto.
• A unidade que está sendo fundida pode ser um produto minúsculo e selado, como um smartphone, onde o fusível é necessário principalmente para proteger a bateria e seu circuito de carga, e não há opção de acesso do usuário final ao interior.
• Do ponto de vista da segurança, a menos que o verdadeiro motivo do fusível queimado seja conhecido, como um mecânico ter inadvertidamente tocado um barramento de força e conectado ao chassi do carro, substituí-lo apenas porque é fácil de fazer é uma perda de tempo na melhor hipótese, e arriscado na pior. Por exemplo, se um fusível faz parte de um circuito de proteção para uma bateria à base de lítio e seu circuito de carga, ele é um elemento crítico dessa função. Portanto, é essencial encontrar a causa raiz do fusível “queimado”, em vez de apenas substituí-lo às cegas.
• Um porta-fusível e seus contatos aumentam as preocupações de confiabilidade devido à corrosão, vibração e outros fatores do ambiente operacional.
• Finalmente, há a questão do tamanho: um fusível que é soldado no lugar sem um suporte terá uma pegada menor e perfil mais baixo na placa de circuito impresso.

Para implementar fusíveis minúsculos sem suporte como SMDs e, assim, usar várias placas padrões e equipamento de solda, é necessário olhar além do fusível tradicional com sua ligação fundível semelhante a um fio, mantendo o princípio de auto-aquecimento que derrete e, portanto, abre o caminho da corrente.

Grande variedade de fusíveis SMD atendem aos desafios do design moderno

Usando combinações de materiais, tecnologias, formulações e técnicas de fabricação, a Bourns desenvolveu uma família de fusíveis SMD que podem fornecer a função de fusível com base térmica em uma ampla gama de correntes e tensões de operação. O portfólio de produtos de fusíveis SMD SinglFuse da Bourns emprega sete tecnologias diferentes de construção de fusíveis: pulverização catódica de filme fino, placa de circuito impresso de filme fino, cerâmica multicamada, laminado de cavidade de cerâmica, núcleo de fio, tubo de cerâmica e cubo de cerâmica (figura 2).

Figura 2: a família SinglFuse é composta exclusivamente por fusíveis SMD, mas a implementação das muitas combinações de corrente e tensão que ela oferece requer o uso de sete tecnologias de fusíveis distintas. (Fonte da imagem: Bourns)

Essa variedade de tecnologias e abordagens de construção permite que o amplo portfólio da SinglFuse ofereça fusíveis com uma ampla gama de especificações em parâmetros-chave, como corrente nominal, tensão nominal, capacidade de rompimento, I²t e temperatura de operação. Além disso, os produtos SinglFuse são compatíveis com UL, TUV e VDE e estão em conformidade com os padrões UL 248 e IEC 60127, o que facilita o caminho para a certificação geral do produto. Para aplicações automotivas onde especificações completas e operação confiável sobre uma faixa de temperatura são necessárias, um dos muitos mandatos automotivos, ou para outros ambientes operacionais adversos, estão disponíveis fusíveis em conformidade com AEC-Q200.

O tamanho pequeno do SMD não limita as capacidades

Existem situações em que a obrigação por componentes menores, especialmente em invólucros SMD, impõe limites aos seus recursos ou capacidades. Este não é o caso dos dispositivos SinglFuse, que estão disponíveis em tamanhos de invólucros quase invisíveis, como o 0402 (1,0 x 0,5 milímetro (mm)) nas faixas de corrente mais baixas até 3812 (3,81 × 2,54 mm) para os fusíveis de maior capacidade, ainda de tamanho diminuto.

Ao longo dos anos, os fornecedores de fusíveis desenvolveram versões especializadas de dispositivos de ligação fundível com atributos exclusivos para atender às necessidades do circuito. Reconhecendo essa situação, os dispositivos SinglFuse estão disponíveis com diferentes características de resposta, incluindo:

• Ação rápida
• Precisão de ação rápida: com tolerância mais restrita nas principais especificações
• Queima lenta: para lidar com uma corrente de surto temporária que excede a classificação de corrente do fusível
• Retardo de tempo: permite um surto elétrico por um curto período antes de realmente queimar
• Alta corrente de partida: para correntes excessivas de partida

Observe que as especificações dos perfis de corrente versus tempo para essas diferentes “personalidades” de fusíveis são definidas em suas respectivas fichas técnicas e devem ser estudadas pelo projetista para obter a melhor correspondência para a aplicação.

Os extremos da classificação de corrente mostram a faixa de desempenho

Os projetistas podem usar fusíveis SMD em uma ampla gama de valores de corrente nominal. Por exemplo, o fusível SMD de precisão de ação rápida SF-2410FP0062T-2 está alojado em um tubo de cerâmica com uma pegada EIA 2410 (6125 métrica) e mede cerca de 6 mm de comprimento e 2,1 × 2,6 mm na extremidade retangular (figura 3).

Figura 3: o SF-2410FP0062T-2 da Bourns é um fusível SMD de precisão de ação rápida em um invólucro retangular. (Fonte da imagem: Bourns)

Esse fusível é especificado para operação de 125 volts CA/CC e tem uma classificação nominal de 62 miliamperes (mA) junto com uma classificação I²t típica de 0,0012 A²s. Embora a especificação resumida de alto nível é que ele abre em cinco segundos a 200% da corrente nominal, os usuários provavelmente vão querer estudar seus gráficos de desempenho que quantificam o tempo de pré-arco (figura 4) e a classificação I²t (figura 5), indicadores-chave de tempo de resposta do fusível. Os projetistas devem estar cientes da queda de tensão IR através do fusível ao operar dentro de sua classificação de corrente devido à sua resistência de cerca de 6 Ohms (Ω); esta queda é inferior a 40 milivolts (mV) no máximo.

Figura 4: a ficha técnica do SF-2410FP0062T-2 inclui detalhes sobre o tempo de pré-arco do fusível de corrente muito baixa até seu máximo nominal, um parâmetro que define o perfil de resposta versus corrente do fusível. (Fonte da imagem: Bourns)

Figura 5: a ficha técnica do SF-2410FP0062T-2 também mostra o perfil crítico I²t para energia térmica acumulada em diferentes níveis de corrente. (Fonte da imagem: Bourns)

Uma faixa e um perfil de desempenho muito diferentes são oferecidos pelo fusível de queima lenta SF-1206S700 (figura 6), um dispositivo de 7 A especificado para abrir em cinco segundos a 250% de sua corrente nominal máxima.

Figura 6: o SF-1206S700 de queima lenta para uso na montagem em superfície da série Bourns SF-1206S é um dispositivo de 7 A, que é especificado para abrir em cinco segundos a 250% de sua corrente nominal máxima (fonte da imagem: Bourns)

O SF-1206S700 usa um invólucro e tecnologia diferente do SF-2410FP-T, ele vem em um invólucro plano 3216 (EIA 1206, 1,55 × 3,1 mm) medindo apenas 0,6 mm de altura devido à sua construção de filme fino (figura 7). Sua resistência de apenas 7 miliohms (mΩ) garante uma baixa queda de IR de pouco menos de 50 mV na corrente máxima.

Figura 7: este corte do fusível SMD de queima lenta SF-1206S700 dá uma ideia dos materiais sofisticados e da tecnologia utilizada na fabricação do dispositivo. (Fonte da imagem: Bourns)

Embora a ficha técnica para este fusível tenha gráficos semelhantes aos do fusível SF-2410FP-T de 62 mA, como um fusível de queima lenta ele também precisa de uma “curva de degradação I²T vs corrente de partida repetitiva”, que define ainda mais o desempenho do fusível de queima lenta com operação de circuito liga/desliga totalmente repetitiva (figura 8).

Figura 8: fusíveis de queima lenta geralmente estão sujeitos a ciclos repetidos de alta corrente de partida, então a ficha técnica do SF-1206S700 esclarece o efeito desses ciclos no comportamento do fusível. (Fonte da imagem: Bourns)

É útil para os projetistas avaliarem na prática os fusíveis diferentes em relação ao seu tipo, classificação e tamanho, mas há um desafio em fazer isso. Ao contrário dos componentes ativos (amplificadores operacionais, por exemplo) ou passivos (resistores, indicadores, capacitores), um fusível é um dispositivo de uso único e só pode ser realmente testado forçando-o a se autodestruir literalmente. Como consequência, é útil ter múltiplos de vários valores e tipos de fusíveis disponíveis para avaliação.

Para facilitar esse processo, a Bourns oferece o kit SMD FuseLab SinglFuse SF-SP-LAB1 para teste rápido de protótipo (figura 9). Ele contém cinco de cada um dos 18 fusíveis de queima lenta (total de 90 peças) em fusíveis de tamanho 0402, 0603 e 1206 (métrico 1608 a 3216); o kit semelhante SF-FP-LAB1 tem 160 peças de fusíveis de precisão de ação rápida (cinco cada um dos 32 valores) em invólucros 0402 a 1206 (métrico 1005 a 3216).

Figura 9: como os testes costumam levar os fusíveis à autodestruição, os kits de design como este SMD FuseLab SinglFuse SF-SP-LAB1 para fusíveis de queima lenta facilitam a tarefa do projetista de avaliar o tamanho, montagem, problemas térmicos, desempenho e outros problemas. (Fonte da imagem: Bourns)

Conclusão

Apesar de sua simplicidade conceitual, os fusíveis térmicos são componentes elétricos e mecânicos passivos sofisticados, com base em considerações térmicas avançadas de fabricação e materiais. Conforme os circuitos e produtos encolhem, tornando a substituição de um fusível pelo usuário cada vez mais impraticável, imprudente ou mesmo perigosa, a necessidade de fusíveis de dispositivo de montagem em superfície (SMD) fica evidente, os quais que são manuseados como qualquer outro dispositivo SMD. Além disso, os fusíveis SMD simplificam o processo de montagem e fabricação e reduzem a suscetibilidade de um projeto à vibração e corrosão.

Conforme mostrado, a série Bourns SinglFuse de fusíveis SMD oferece aos projetistas uma ampla variedade de faixas e tipos de proteção contra sobrecorrente para atender às necessidades dos produtos atuais e dos processos de fabricação de placas de circuito impresso.

Um estudo mais aprofundado:

1. Tutorial de fusíveis SMD SinglFuse
2. Fusíveis SMD SinglFuse da Bourns
3. Kits de design de fusível SMD SinglFuse de precisão de ação rápida e de retardo

Referência

1. IEEE 2007 8ª Conferência internacional sobre fusíveis elétricos e suas aplicações, “para as origens dos fusíveis”