Dlaczego i w jaki sposób skutecznie używać bezpieczników elektronicznych do ochrony obwodów wrażliwych

Wybór bezpiecznika elektronicznego: funkcje i zastosowania

Wybierając bezpiecznik elektroniczny, należy wziąć pod uwagę kilka podstawowych parametrów. Najważniejszą kwestią jest - co nie zaskakuje - faktyczny poziom, przy którym działa bezpiecznik. Taki poziom może wahać się od natężeń poniżej 1A do około 10A. Istotne jest także maksymalne napięcie na zaciskach wytrzymywane przez bezpiecznik. W przypadku niektórych bezpieczników elektronicznych ten poziom prądu jest stały, podczas gdy w przypadku innych może być ustawiany przez użytkownika za pomocą zewnętrznego rezystora. Inne czynniki doboru to m.in.: szybkość reakcji, prąd spoczynkowy, rozmiar (zajmowana powierzchnia) oraz liczba i typ zewnętrznych komponentów pomocniczych, o ile takowe są potrzebne. Ponadto projektanci muszą wziąć pod uwagę wszelkie dodatkowe cechy i funkcje, które mogą oferować różne modele bezpieczników elektronicznych.

Na przykład w sterownikach PLC, zastosowanie bezpieczników elektronicznych jest korzystne w różnych obwodach podrzędnych, które mogą być podatne na błędne połączenia zasilania i wejść/wyjść czujników. Udary prądowe występują także przy wykonywaniu połączeń przewodowych lub wymianie płytek podczas pracy. W tego typu instalacjach na napięcie 24V często stosuje się bezpiecznik elektroniczny np. TPS26620 firmy Texas Instruments. Na ilustracji 2 pokazano go z ustawionym natężeniem granicznym 500mA. Jego zakres pracy wynosi od 4,5V do 60V przy natężeniu prądu do 80mA. Charakteryzuje się programowalnym ograniczeniem prądu, zabezpieczeniem przed zbyt wysokim i zbyt niskim napięciem oraz odwrotną polaryzacją. Układ scalony może również sterować prądem rozruchowym i zapewniać solidną ochronę przed prądem wstecznym i nieprawidłowym podłączeniem przewodów w przypadku modułów wejścia-wyjścia sterowników PLC i zasilaczy czujników.

Ilustracja 2: Bezpiecznik TPS26620 firmy Texas Instruments ustawiony na wyzwalanie przy natężeniu prądu 500mA w sterowniku PLC o napięciu 24V=. (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

Wykresy czasowe na ilustracji 3 dla bezpiecznika elektronicznego TCKE805 18V, 5A firmy Toshiba pokazują porównanie wdrożenia trybu automatycznego wznawiania pracy i trybu blokady przez jednego dostawcę. W trybie automatycznego wznawiania pracy (ustawianym przez wtyk pakietu EN/UVLO), funkcja zabezpieczenia nadprądowego zapobiega uszkodzeniu bezpiecznika elektronicznego i odbiornika poprzez ograniczenie poboru mocy w przypadku awarii.

Ilustracja 3: Bezpiecznik elektroniczny TCKE805 18V, 5A firmy Toshiba wykorzystuje sekwencję cyklu „testuj i powtórz” do oceny, czy przywrócenie przepływu prądu jest bezpieczne. (Źródło ilustracji: © Toshiba)

Jeśli prąd wyjściowy ustawiany za pomocą zewnętrznego rezystora (RLIM) przekracza natężenie graniczne (ILIM) z powodu błędu odbiornika lub zwarcia, natężenie wyjściowe i napięcie wyjściowe maleją, ograniczając w ten sposób moc pobieraną przez układ scalony i odbiornik. Gdy prąd wyjściowy osiągnie ustawioną wartość graniczną i zostanie wykryte przetężenie, prąd wyjściowy jest ograniczany tak, aby jego natężenie nie przekraczało wartości ILIM. Jeśli sytuacja przetężenia nie zostanie usunięta na tym etapie, stan ograniczenia jest utrzymywany, a temperatura bezpiecznika elektronicznego nadal rośnie.

Gdy temperatura bezpiecznika elektronicznego osiągnie temperaturę roboczą funkcji wyłączania termicznego, tranzystor MOSFET bezpiecznika elektronicznego jest wyłączany, co całkowicie zatrzymuje przepływ prądu. Operacja automatycznego wznawiania pracy próbuje przywrócić przepływ prądu poprzez jego zatrzymanie, które obniża temperaturę i zwalnia wyłączanie termiczne. Jeśli temperatura ponownie wzrośnie, cykl jest powtarzany i powoduje zatrzymanie pracy, aż do usunięcia stanu przetężenia.

Tryb blokady natomiast ogranicza wyjście do momentu zresetowania bezpiecznika elektronicznego poprzez wtyk Enable (EN/UVLO) układu scalonego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: W trybie blokady, w przeciwieństwie do trybu automatycznego wznawiania pracy, bezpiecznik elektroniczny firmy Toshiba nie resetuje się, dopóki nie zostanie to wymuszone przez wtyk Enable układu scalonego. (Źródło ilustracji: © Toshiba)

Niektóre bezpieczniki elektroniczne można skonfigurować tak, aby pozbyć się problemów związanych z pomiarem prądu na rezystorze, takich jak spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR), który powoduje zmniejszenie napięcia na szynie wyjściowej. Na przykład bezpiecznik elektroniczny STEF033AJR 3,3V firmy STMicroelectronics ma wartości nominalne prądu maksymalnego i rezystancji tranzystora polowego w stanie włączenia odpowiednio 3,6A i 40mΩ dla obudowy DFN oraz 2,5A i 25mΩ dla obudowy flip-chip. W konwencjonalnym połączeniu pokazanym na ilustracji 5, przy wyższych wartościach natężenia prądu, nawet niewielki spadek IR rzędu ok. 15mV w szynie zasilającej spowodowany przez rezystancję w stanie włączenia może być istotny i niepokojący.

Ilustracja 5: W konwencjonalnym oprzewodowaniu bezpiecznik STEF033AJR, który określa wartość graniczną, R-lim, jest umieszczany między dwoma wyznaczonymi zaciskami. (Źródło obrazu: © STMicroelectronics)

Dzięki modyfikacji konwencjonalnego połączenia poprzez umieszczenie rezystora między połączeniem granicznym po stronie dodatniej a połączeniem napięcia wyjściowego (VOUT/Source), implementuje się układ pomiarowy Kelvina, który kompensuje spadek IR (ilustracja 6).

Ilustracja 6: Aby zmniejszyć skutki spadku IR przy pomiarze prądu, ujemną stronę rezystora ograniczającego podłącza się do wyjścia napięciowego (VOUT/Source). (Źródło obrazu: © STMicroelectronics)

Należy pamiętać, że chociaż bezpieczniki elektroniczne są półprzewodnikami i mogą pracować przy napięciach rzędu kilku woltów, nie są ograniczone do tego niskiego obszaru. Na przykład bezpieczniki elektroniczne firmy Texas Instruments z grupy TPS2662x posiadają znamionowe napięcia robocze od 4,5 do 57V.