השתמשו בנתיכי SMD כדי להקל על הפרישה, להקטין את גודל המוצר ולשפר את החוסן

הנתיך המופעל תרמית הוא התקן הגנת המעגלים הוותיק ביותר ועדיין נמצא בשימוש נרחב. הוא מובן היטב, אמין, עקבי ומורשה על פי תקנים רגולטוריים. עם זאת, כאשר מוצרי הקצה גדלים במורכבותם ומתכווצים בגודלם, המתכננים זקוקים לחלופה לנתיך ולמחזק נתיך הניתנים להחלפה על ידי המשתמש על מנת להקטין את גורם הצורה, לפשט את ההרכבה, לשפר את החוסן ולהגביר את הבטיחות.

במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש בהתקני הרכבה משטחית (SMD) ללא פשרות בביצועים. נתיכי SMD משתמשים בטכנולוגיות מגוונות בכדי לספק הגנת נתיכים תרמית ביחד עם מגוון שלם של מאפייני הנתיכים ההכרחיים, כגון פעולה מהירה וניתוק איטי.

מאמר זה יספק מבוא קצר להגנת נתיכים, הגנת מעגלים ושיקולי תכנון. לאחר מכן הוא יציג ויתאר נתיכי SMD מבית Bourns, כולל המאפיינים העיקריים שלהם ואופן יישומם.

הנתיך הבסיסי מחזיק מעמד

הנתיך המסורתי עם אלמנט הנתיך המופעל-תרמית שלו הוא בן כ- 150 שנה והוא הסוג הידוע ביותר והישיר ביותר של התקן הגנת מעגלים. הוא אמין ופשוט להבנה ועם עקביות בביצועים בתפקידו היחיד של הספקת הגנה מפני אירועי זרם-יתר. הוא עושה זאת על ידי ניתוק נתיב המעגל החשמלי באופן חד-משמעי ובלתי-הפיך תוך הפסקת זרימת הזרם כאשר רמת הזרם עולה על המידה שנקבעה בעת תכנון הנתיך.

נתיך מסורתי מיוצג על ידי סימבולים סכמטיים שונים בהתאם לתקן הגרפי והוא מורכב מחוט מתכת המהונדס במדויק בתכן, במידות ובחומרים שלו (איור 1). כאשר הזרם העובר באלמנט הנתיך עולה על הגבול שהוגדר-מראש למשך זמן מסוים, האלמנט הנתון לחימום-עצמי יותך. חימום-עצמי זה הוא תוצאה ישירה של הפסדי ההספק האוהמיים R‏^2‏I‏ עקב זרימת הזרם דרך התנגדות האלמנט.

איור 1: הנתיך מיוצג על ידי אחד מכמה סימבולים סכמטיים, בהתאם לתקן שבשימוש. (מקור התמונה: ClipArtKey.com)

נתיכים זמינים בסוגי מארזים רבים כגון שפופרת הזכוכית הקטנה הידועה בסגנון 3AG‏ בקוטר של ¼ אינץ' ובאורך של 1 אינץ'. עבור כל נתיך וזרם נומינלי, היצרנים מספקים גרפים מפורטים המציגים את היחס בין ערך הזרם-יתר לבין הזמן המצטבר הדרוש להתכת אלמנט הנתיך ובכך לעצור את זרימת הזרם דרך הנתיך. זה מתייחס ל- t‏^2‏I‏ הנומינלי המציין את האנרגיה התרמית הזמינה הנובעת מזרימה הזרם ביחידות של אמפר-^2‏-שניות (s‏^2‏A‏).

הנתיך אינו התקן הגנת המעגלים היחיד בו משתמשים המתכננים. ישנם התקנים פסיביים אחרים המספקים צורות אחרות של הגנה על ידי הגבלה, חסימה, מצד (Shunt‏) או הסרה של נחשולי זרם או מתח חריגים. יחד עם זאת, אף אחד מאלו אינו מציע את הניתוק הבלתי-הפיך של הזרם שמציע הנתיך. הם אינם מחליפים את פונקציית הנתיך, אך ניתן להשתמש בהם כאשר הנתיך אינו אפשרות ההגנה המתאימה, או להשלמת פעולת הנתיך במקום בו זה הגיוני מבחינה טכנית. בין יתר התקני הגנת המעגלים המוכרים היטב יש את:

• ואריסטור תחמוצת מתכת (MOV‏)
• תרמיסטור מקדם טמפרטורה חיובי (PTC‏)
• דיודת משכך מתחים טרזיינטיים (TVS‏)
• שפופרת פריקה בגז (GDT‏)
• נתיך מתאפס PTC‏ פולימר

בדומה לנתיכים, לכל אחד מהם יש תפקיד בהספקת הגנה על המעגל, אך עדיין ניתוק המעגל הבסיסי של האלמנט עם הנתיך שומר על תפקידו והפונקציה שלו בתכנים רבים הודות לשילוב המאפיינים שלו הכולל עקביות, פעולה ישירה ופעולה בלתי-הפיכה.

מעבר לאלמנט עם נתיך הניתן להחלפה

לעתים קרובות מניחים כי נתיכים תרמיים הם יחידות הניתנות להחלפה בשטח כאשר הם משולבים עם מחזק נתיך או שקע מתאימים. עם זאת, אפשור החלפה בשטח על ידי המשתמש הוא לרוב מיותר ויכול להיות לא-רצוי עבור מוצרים רבים. זה חל על מוצרי חשמל קטנים יותר כמו טלפונים סלולריים, ממירי טלוויזיה, מטעני סוללות קטנים, מתאמי קיר AC/DC וצעצועים; התקנים בינוניים הכוללים כלי עבודה חשמליים, בקרים תעשייתיים וגנרטורים לצרכנים; ואפילו מערכות הספק גבוה יותר כגון מטענים לרכבים חשמליים (EV). נבחן את התרחישים הבאים:

• יתכן ונתיכים עם ערכים נומינליים שונים יהיו נחוצים להגנת תת-מעגלים שונים של מעגל גדול יותר, כולל אלו עם נתיבי אותות רגישים, בשונה מאלו של המוצר כולו.
• היחידה עליה צריך להגן עם נתיך עשויה להיות של מוצר זעיר ואטום כגון סמארטפון שבו הצורך העיקרי הוא להגן על הסוללה ומעגלי הטעינה שלה, ואין כל דרך לאפשר למשתמש-הקצה גישה לתוך המוצר.
• בהיבט הבטיחות, אלא אם כן הסיבה בפועל לנתיך שרוף ידועה כמו לדוגמה כשמכונאי נגע שלא בכוונה בפס הספקת-הכוח וחיבר אותו לשלדת הרכב, החלפת נתיך רק מפני שקל לעשות זאת היא בזבוז זמן במקרה הטוב ומסוכנת במקרה הרע. לדוגמה, אם נתיך הוא חלק ממעגל הגנה לסוללה מבוססת ליתיום ומעגל הטעינה שלה, זהו מרכיב קריטי של פונקציה זו. לפיכך חיוני למצוא את שורש הגורם לשריפת הנתיך ולא רק להחליף אותו בצורה עיוורת.
• מחזק הנתיך והמגעים שלו מוסיפים לחששות האמינות עקב קורוזיה, רעידות וגורמי סביבת פעולה אחרים.
• לבסוף, יש את נושא הגודל: לנתיך שמולחם במקומו ללא מחזק תהיה חתימת-שטח קטנה יותר ופרופיל נמוך יותר על לוח המעגלים.

כדי לממש נתיכים זעירים ללא מחזק בהרכבת SMD כדי לאפשר שימוש בציוד הרכבה והלחמה סטנדרטי ללוחות, יש צורך להביט מעבר לנתיך המסורתי עם אלמנט הנתיך דמוי החוט, תוך שמירה על עקרון החימום העצמי וההתכה לניתוק נתיב הזרם.

מגוון רחב של נתיכי SMD עומדים באתגרי התכנון המודרני

הודות לשימוש בשילובים של חומרים, טכנולוגיות, פורמולציות וטכניקות ייצור, חברת Bourns משפחה של נתיכי SMD המסוגלים לספק את פונקציית הנתיך על בסיס תרמי בתחום רחב של זרמים ומתחי פעולה. סל מוצרי נתיכי SMD‏ SinglFuse‏ מבית Bourns משתמש בשבע טכנולוגיות מבנה נתיך שונות: התזת חלקיקים בפילם-דק, לוחות PC בפילם-דק, קרמי רב-שכבות, למינציית חלל קרמית, ליבת חוט, שפופרת קרמית וקוביה קרמית (איור 2‏).

איור 2: משפחת SinglFuse מורכבת אך ורק מנתיכי SMD, אך מימוש שילובי הזרם והמתח הרבים שהיא מציעה מחייב שימוש בשבע טכנולוגיות נתיכים מובחנות. (מקור התמונה: Bourns‏)

מגוון זה של טכנולוגיות וגישות בנייה מאפשר לסל הרחב של מוצרי SinglFuse להציע נתיכים עם מגוון רחב של מפרטים על פני פרמטרים עיקריים כגון הזרם הנומינלי, המתח הנומינלי, זרם הניתוק, t‏²‏I‏ וטמפרטורת הפעולה. בנוסף, מוצרי SinglFuse הם תואמי UL, TUV ו- VDE, ועומדים בתקן UL 248‏ ו- IEC 60127‏, עובדה המקלה את מאמצי ההרשאה הכוללת למוצרים. עבור יישומי כלי-רכב בהם נדרשים מפרט מלא ופעולה אמינה בתחום טמפרטורות רחב, מבין הדרישות הרבות עבור כלי רכב, או עבור סביבות פעולה קשות, קיימים נתיכים שהם תואמי AEC-Q200.

גודל SMD קטן אינו מגביל את היכולות

ישנם מצבים בהם ההכרח ברכיבים קטנים יותר, במיוחד במארזי SMD, מטיל מגבלות על המאפיינים או היכולות שלהם. זה לא המקרה עם התקני SinglFuse, הזמינים בגודלי מארז מ- 0402 שהוא כמעט בלתי-נראה (0.040 אינץ' ×‏ 0.020 אינץ'; 1.0‏ ×‏ 0.5 מילימטר (מ"מ)) בתחומי הזרם הנמוכים ועד ל- 3812‏ (0.150 אינץ' ×‏ 0.100 אינץ'; 3.81‏ ×‏ 2.54 מ"מ) עבור נתיכים עם יכולות גבוהות יותר, עדיין בגודל זעיר.

במהלך השנים יצרני הנתיכים פיתחו גרסות מיוחדות של התקני אלמנט נתיך עם תכונות ייחודיות העונות לצורכי המעגלים. מתוך הכרת מצב זה, התקני SinglFuse זמינים עם מאפייני תגובה שונים, כולל:

• פעולה מהירה
• פעולה מהירה מדויקת: עם טולרנס הדוק יותר במפרטים העיקריים
• ניתוק איטי: לטיפול בזרם נחשול זמני העולה על הזרם הנומינלי של הנתיך
• שיהוי זמן: מאפשר נחשול חשמלי למשך זמן קצר לפני שהוא ממש נשרף
• זרם התנעה גבוה: עבור זרם אתחול גבוהים ביותר

שימו לב שהפרטים של פרופילי-הזרם-לעומת-הזמן עבור נתיכים שונים אלו מוגדרים בגיליונות הנתונים שלהם והמתכננים צריכים ללמוד אותם היטב כדי להשיג את ההתאמה הטובה ביותר ליישום.

ערכי הזרם הקיצוניים מציגים את תחום הביצועים

המתכננים יכולים להשתמש בנתיכי SMD במגוון רחב של ערכי זרם נומינלי. לדוגמה, נתיך SMD עם פעולה מהירה מדויקת SF-2410FP0062T-2‏ נתון בשפופרת קרמית עם חתימת-שטח EIA 2410‏ (6125 מטרי), והמידות שלו הן בערך 6 מ"מ אורך ו- 2.1‏ ×‏ 2.6 מ"מ בצד המלבני (איור 3‏).

איור 3: ה- SF-2410FP0062T-2 מבית Bourns הוא נתיך SMD עם פעולה מהירה מדויקת במארז מלבני. (מקור התמונה: Bourns‏)

נתיך זה מוגדר עבור פעולת AC/DC‏ ב- 125 וולט ויש לו זרם נומינלי של 62 מיליאמפר (mA‏) לצד ה- t‏^2‏I‏ של s‏^2‏A‏ 0.0012. בעוד שמפרט הרמה-העליונה הוא כזה המנתק בתוך חמש שניות ב- 200% של הזרם הנומינלי, המשתמשים ירצו קרוב לוודאי ללמוד את גרפי הביצועים שלו המכמתים את זמן הטרום-ניתוק (איור 4‏) ואת ה- t^‏2‏I‏ הנומינלי (איור 5‏), מדדי מפתח לזמן התגובה של הנתיך. על המתכננים להיות ערים למפל המתח IR דרך הנתיך כאשר הוא פועל בזרם הנומינלי עקב ההתנגדות שלו של כ- 6 אוהם (Ω); מפל מתח זה הוא מתחת למקסימום של 40 מיליוולט (mV).

איור 4‏: גיליון הנתונים של ה- SF-2410FP0062T-2‏ כולל פרטים על זמן הטרום-ניתוק של הנתיך עבור זרמים מהנמוך ביותר ועד למקסימום הנומינלי, פרמטר המגדיר את פרופיל התגובה-לעומת-הזרם של הנתיך. (מקור התמונה: Bourns‏)

איור 5‏: גיליון הנתונים של ה- SF-2410FP0062T-2‏ מציג גם את פרופיל t‏^2‏I‏ הקריטי עבור האנרגיה התרמית המצטברת ברמות זרם שונות. (מקור התמונה: Bourns‏)

תחום ופרופיל ביצועים שונים ביותר מוצע על ידי נתיך ניתוק איטי SF-1206S700‏ (איור 6‏), התקן A‏ 7‏ המוגדר עבור ניתוק בתוך חמש שניות ב- 250% מהזרם הנומינלי המקסימלי שלו.

איור 6‏: ה- SF-1206S700‏ בהרכבה משטחית עם ניתוק איטי בסדרת SF-1206S‏ מבית Bourns הוא התקן A‏ 7‏ המוגדר עבור ניתוק בתוך חמש שניות ב- 250% מהזרם הנומינלי המקסימלי שלו (מקור התמונה: Bourns)

ה- SF-1206S700 משתמש במארז ובטכנולוגיה שונים מאלו של ה- SF-2410FP-T‏, ומגיע במארז שטוח 3216‏ (EIA 1206‏, 1.55 × 3.1 מ"מ) בגודל של 0.6 מ"מ בלבד הודות למבנה הפילם-דק שלו (איור 7). ההתנגדות שלו של 7 מילי-אוהם (mΩ) בלבד מבטיחה מפל IR נמוך של מעט פחות מ- mV‏ 50‏ בזרם מקסימלי.

איור 7: חתך זה של נתיך ה- SMD עם ניתוק איטי SF-1206S700 נותן רמז לחומרים ולטכנולוגיה המתוחכמים המשמשים בייצור התקן זה. (מקור התמונה: Bourns‏)

בעוד שגיליון הנתונים עבור נתיך זה כולל גרפים דומים לאלו של נתיך SF-2410FP-T 62 mA, כנתיך עם ניתוק איטי הוא זקוק לעקומת "Derating Curve vs Repeater Rush Current‏ T‏^2‏I‏" המגדירה עוד יותר את ביצועי נתיך עם ניתוק איטי עם פעולת מעגל הפעלה/כיבוי חוזרת (איור 8).

איור 8‏: נתיכים עם ניתוק איטי נתונים לעיתים למחזורי זרם התנעה גבוה, כך שגיליון הנתונים של ה- SF-1206S700‏ מבהיר את ההשפעה של מחזורים אלו על התנהגות הנתיך. (מקור התמונה: Bourns‏)

זה שימושי עבור המתכננים כדי להעריך באופן מעשי נתיכים שונים ביחס לסוגם, דירוגם וגודלם, אך זה בהחלט אתגר. בניגוד לרכיבים אקטיביים (מגברים אופטיים, למשל) או פסיביים (נגדים, משרנים, קבלים), הנתיך הוא התקן חד-פעמי היכול להיבדק במלואו רק על ידי דחיפתו למעשה להשמדה-עצמית. לפיכך יהיה זה מועיל להשתמש במספר ערכים וסוגים שונים של נתיכים לצורך הערכה.

כדי להקל על תהליך זה, חברת Bourns מציעה את ערכת SinglFuse SMD FuseLab‏ SF-SP-LAB1‏ לבדיקת אב-טיפוס מהירה (איור 9). היא מכילה 5 סטים, כל אחד של 18 נתיכים עם ניתוק איטי (סה"כ 90 יחידות) במארזים 0402, 0603 ו- 1206 ((1608 עד 3216 מטריים); ערכת SF-FP-LAB1‏ הדומה כוללת 160 יחידות של נתיכים מדויקים עם פעולה מהירה (5 סטים, כל אחד של 32 ערכים)במארזים 0402 עד 1206 (1005 עד 3216 מטריים).

איור 9: מכיוון ולעיתים קרובות הבדיקות דוחפות את הנתיכים להשמדה-עצמית, ערכות תכנון כגון ערכת FuseLab‏ SMD‏ SinglFuse‏ SF-SP-LAB1‏ עבור נתיכים עם ניתוק איטי מקלות על הערכת הגודל, ההרכבה, הנושאים התרמיים, הביצועים ונושאים אחרים. (מקור התמונה: Bourns‏)

סיכום

למרות פשטות העיקרון שלהם, נתיכים תרמיים הם רכיבים חשמליים ומכניים פסיביים מתוחכמים המבוססים על שיקולים תרמיים ושיקולי חומרים וייצור מתקדמים. ככל שהמעגלים והמוצרים מתכווצים בגודלם, החלפת נתיך על ידי המשתמש הופכת ליותר ויותר לא-מעשית, לא חכמה, ואפילו מסוכנת, ולכן ניכר הצורך בנתיכים מסוג התקני הרכבה משטחית (SMD), המטופלים בדיוק כמו כל התקן SMD אחר. בנוסף, נתיכי SMD מפשטים את תהליך ההרכבה והייצור ומפחיתים את הפגיעות לרעידות וקורוזיה.

כפי שהוצג, סדרת נתיכי SMD‏ SinglFuse מבית Bourns מציעה למתכננים מגוון רחב של תחומים וסוגים של הגנת זרם-יתר כדי לעמוד בצרכים של המוצרים ותהליכי הייצור של לוחות המעגלים המודפסים של ימינו.

לקריאה נוספת:

1. מדריך למידה של נתיכי SMD‏ SinglFuse‏
2. נתיכי SinglFuse SMD מבית Bourns
3. ערכות תכנון נתיכי SMD‏ SinglFuse‏ עם פעולה מהירה מדויקת ועם שיהוי-זמן מבית Bourns

סימוכין

1. הכנס הבינלאומי ה- 8 של IEEE‏ 2007 בנושא נתיכים חשמליים ויישומיהם, "אל מקורות הנתיכים"