Bezpiecznik topikowy został wynaleziony przez Thomasa Edisona . Na oficjalnej stronie można znaleźć wykaz patentów, którymi może poszczycić się wynalazca. Wśród nich na pozycji nr 80 znajduje się – Patent 438.305 .Przez ponad 100 lat od wynalezienia pierwszego bezpiecznika technologia i rozwiązania zmieniły się, ale bezpieczniki topikowe nadal są stosowane jako tanie i pewne rozłączenie obwodu. Jedną z charakterystycznych cech (celowo nie używamy słowa WAD) jest jego jednorazowość. Oprócz bezpieczników topikowych w układach elektronicznych stosuje się również bezpieczniki polimerowe oraz bezpieczniki elektroniczne, tzw. e-fuse. Poniżej postaramy się przedstawić bliżej każdy z trzech typów bezpieczników. Do sprawdzenia przybliżonych czasów zadziałania użyto urządzeń połączonych według poniższego schematu przedstawionego na rysunku 1.
Bezpieczniki topikowe
Bezpieczniki topikowe są najprostszym i najtańszym sposobem zabezpieczenia obwodów w układach elektronicznych. Fizyka działania pozostaje taka sama jak w pierwszym prototypie bezpiecznika opatentowanym przez Thomasa Edisona.
Wadą tego typu bezpieczników jest fakt, że ich odłączenie następuje z dużym opóźnieniem, w dodatku zależnym od tego, jak bardzo zostanie przekroczony prąd znamionowy bezpiecznika.
Poniżej przedstawiono wykresy czasów zadziałania trzech bezpieczników topikowych o prądzie znamionowym 2A, obciążanych odpowiednio prądem 5A, 4,5A oraz 4,2A. Czasy zadziałania wynoszą: 400 ms, 1,4 s oraz 23 s.
Im bardziej zbliżamy się do wartości znamionowej, tym dłuższy czas rozłączenia obwodu, który może być bardzo długi. Błędne jest przyjmowanie, że bezpiecznik topikowy rozłączy obwód natychmiast przy prądzie nieznacznie większym od prądu znamionowego.
Bezpieczniki polimerowe
Do sprawdzenia tego typu bezpieczników wybrano bezpiecznik polimerowy Littelfuse RXEF040 o prądzie znamionowym 0,4A oraz napięciu Vmax 72V. Dla wskazanego modelu parametr Itrip wynosi 0,8A.
W pierwszym teście sztuczne obciążenie ustawiono w trybie CR (constans resistance R=15Ω). Prąd, który płynął w układzie w początkowej fazie to I≈0,6A. Czas zadziałania wyniósł około 20s
W kolejnych testach sztuczne obciążenie pracowało już w trybie CC (constans current=0,8A). Była to wartość odpowiadająca prądowi Itrip według karty katalogowej. Czas zadziałania około 10s.
Z przedstawionej tabeli na rysunku 1 możemy odczytać, że dla prądu 2A czas powinien wynosić około 3,8s, zaś w eksperymencie czas zadziałania wyniósł około 0,5s. Różnica może wynikać z faktu, że bezpiecznik mógł być lekko rozgrzany wcześniejszymi testami. Także tryb pracy CC sztucznego obciążenia sprawiał, że kompensowało ono wzrost rezystancji bezpiecznika, starając się utrzymać zadaną wartość prądu poprzez zmniejszenie wartości rezystancji sztucznego obciążenia.
Pomijając zastosowany tryb pracy sztucznego obciążenia, wyraźnie widać, że bezpieczniki polimerowe nie działają selektywnie i nie odcinają w krótkim czasie obwodu po przekroczeniu prądu znamionowego. Trzeba też mieć na uwadze, że bezpieczniki te mogą się nagrzewać również przy prądzie znamionowym.
Bezpieczniki elektroniczne
Najbardziej zaawansowanymi zabezpieczeniami stosowanymi w elektronice są bezpieczniki elektroniczne. To układy scalone zawierające w swojej strukturze różne bloki funkcjonalne, które składają się wspólnie na zabezpieczenia OCP (over current protection), OVP (over voltage protection), OTP (over temperature protection) oraz mogą pełnić dodatkowe funkcje zabezpieczające, jak na przykład łagodne zwiększanie napięcia po uruchomieniu (soft start).
Bezpieczniki elektroniczne charakteryzują się wysoką selektywnością, co oznacza, że niewielkie przekroczenie prądu znamionowego powoduje natychmiastowe zadziałanie układu. Wybrane typy bezpieczników mogą występować w wersji AUTO (resetują się po odłączeniu zasilania obwodu) oraz w wersji LATCH (zatrzaskują się po zadziałaniu).
Przykładem układu z tej kategorii może być układ TCKE812. Pozwala on na nastawienie wartości prądu zadziałania w zakresie do 5A. Także czas narastania dla soft start możemy określić za pomocą dobranej wartości pojemności.
Poniżej przedstawiono widok narastania napięcia podczas załączania odbiornika (zwory elektromagnetycznej) zabezpieczonej przez układ TCKE812. Czas narastania ustawiono na 400ms za pomocą dobranej wartości pojemności na wejściu układu.
Wnioski
Wyniki badań pokazały znaczące różnice w czasach reakcji oraz skuteczności działania pomiędzy badanymi typami bezpieczników. Bezpieczniki topnikowe, choć niezawodne, miały najdłuższy czas reakcji w porównaniu do nowszych technologii. Bezpieczniki polimerowe charakteryzowały się szybszą reakcją, szczególnie przy krótkotrwałych przeciążeniach. Z kolei bezpieczniki e-fuse wykazały się najwyższą precyzją i możliwością dostosowania do specyficznych wymagań aplikacyjnych.
Jak wynika z powyższej treści dobór bezpieczników nie jest tak oczywisty i prosty. Przy wyborze zarówno typu zabezpieczenia, jak i jego wartości należy rozważyć wiele cech, które w jednym przypadku mogą być zaletą, a w innym wadą.
