Einige der großen Wissenschaftler der Geschichte sind eindeutig mit unserer Arbeit verbunden, die die Sicherung auf dem Labortisch konstruiert. George Ohm, ein deutscher Physiker, bleibt uns in guter Erinnerung, wenn wir uns mit Widerständen befassen. Ebenso der englische Wissenschaftler Michael Faraday bei der Auswahl unserer Kondensatoren und der amerikanische Wissenschaftler Joseph Henry bei der Dimensionierung von Induktivitäten. Und während das XNUMX. Jahrhundert freundlich über diese drei zentralen elektrischen Komponenten lächelte, scheint das Interesse nachgelassen zu haben, als jemand kam, um die Eigenschaften der bescheidenen Sicherung zu quantifizieren.
Wenn Sie jemanden für die Entwicklung der einfachen Zündschnur nominieren möchten, deren Name vom lateinischen fusus (geschmolzen) kommt, sollte es wahrscheinlich Arthur C. Cockburn sein. Obwohl ein Teil seiner experimentellen Genauigkeit von der neu gegründeten Society of Telegraph Engineers of London auf ihrem Treffen im Jahr 1888 verspottet wurde, das eine Anstrengung zeigte, die Faktoren wissenschaftlich zu bestimmen, die zusammenkamen, um eine zuverlässige Sicherung zu schaffen. Seine Arbeit ergab, dass sie so ausgelegt sein sollten, dass sie bei etwa 150 % bis 200 % des Nennstroms des zu schützenden Stromkreises schmelzen.
Da sich Telegrafenarbeiter in den Kinderschuhen vor Blitzeinschlägen und elektrischem Licht schützen mussten, wurde die Sicherung zu einer kritischen Sicherheitskomponente für eine junge Industrie.
Was kann eine Sicherung?
Sicherungen sind Opfervorrichtungen, die auf einem dünnen Drahtabschnitt basieren, der dazu bestimmt ist, zu schmelzen und somit den Stromfluss zu stoppen, sollte ein übermäßiger Stromfluss zur zu schützenden Anwendung erfolgen. Die meisten Elektroingenieure, deren Karriere mehr als ein Jahrzehnt umfasst, haben Sicherungen einen Teil dieser Langlebigkeit zu verdanken. Sicherungen werden im Gegensatz zu anderen eindimensionalen Komponenten nach zwei Einheiten bemessen: Strom und Zeit. Die Stromgrenze definiert die Obergrenze des zulässigen Stromflusses, bevor die Sicherung geopfert wird.
Das Zeitelement ermöglicht die Aufnahme natürlich auftretender Überspannungen über die angegebene Stromgrenze hinaus, wie sie häufig während eines Einschaltstroms auftreten, wenn ein Produkt aktiviert wird. Das geopferte Teil ist das Hauptproblem hinter Sicherungen, was bedeutet, dass, wenn eine Sicherung durchbrennt, jemand, wie ein Servicetechniker, nach dem Grund für das Durchbrennen suchen und sie dann ersetzen muss, wenn dies gefahrlos möglich ist. Dies ist zeitaufwändig, verzögernd und manchmal herausfordernd und teuer, je nachdem, wie die Sicherung integriert ist und die Zugänglichkeit der Ausrüstung.
Häufig tritt eine Überstromsituation aufgrund von Benutzerfehlern auf, z. B. einem Kurzschluss beim Einstecken eines fehlerhaften USB-Geräts in einen PC oder Laptop. Anstatt eine Opfervorrichtung zu verwenden, verwenden Stromversorgungen für solche Vorrichtungen häufig polymere Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC). Eine Art niederohmiger Widerstand, dessen Widerstandswert aufgrund der Erwärmung während übermäßiger Stromflussbedingungen eines Fehlers schnell ansteigt, wodurch der Stromfluss im Wesentlichen eingeschränkt wird. Nach Beseitigung des Fehlers kühlt das Gerät wieder auf seinen ursprünglichen niedrigen Widerstand ab. In der heutigen Welt allgemein sicherer elektrischer Produkte bieten PPTCs Schutz, ohne dass ein Servicetechniker sie nach der wahrscheinlichsten Fehlerursache, einem Benutzerfehler, wieder in Betrieb nehmen muss.
Es sei darauf hingewiesen, dass keines der Geräte besonders schnell seine Schutzfunktion ausführt. Sicherungen benötigen im Allgemeinen eine Sekunde zum Durchbrennen, während PPTCs schneller reagieren, aber möglicherweise Sekunden benötigen, um ihre volle Strombegrenzung zu erreichen. Während Sicherungen Geräte von der Stromversorgung trennen, lassen PPTCs selbst nach dem Auslösen noch einen kleinen Strom fließen.
Beide Geräte sind auch abhängig von der Betriebsumgebungstemperatur, sodass eine Reduzierung bei höheren Betriebstemperaturen bei der Auslegung berücksichtigt werden muss.
Einführung der intelligenten Sicherung
Die Halbleitertechnologie wurde in den letzten Jahrzehnten zum Aufrüsten oder Ersetzen einer Vielzahl von Komponenten verwendet, und in jüngerer Zeit haben eFuses diesen Trend fortgesetzt, indem sie Sicherungen und PPTCs ersetzten. Computer-Motherboards, insbesondere PCBs, die SATA-Festplatten oder USB-Anschlüsse unterstützen, profitieren von dem verbesserten Schutz durch eFuses und der Möglichkeit, sie zurückzusetzen, sobald der Fehler über eine einfache logische Schnittstelle behoben wurde.
eFuses nutzen fortschrittliche Siliziumprozesse, die niederohmige MOSFET-Schalter implementieren und einen geringen Stromverlust bieten, wenn Strom fließt. Die eingebauten analogen Komparatoren sind in der Lage, den Stromfluss genau zu überwachen und reagieren in Sub-Mikrosekunden-Zeitrahmen, um die Versorgung vollständig zu unterbrechen.
In Verbindung mit einem Host-Prozessor kann über die eFuse-Schnittstelle eine Entscheidung über die Fehlerursache und den Zeitpunkt der Wiederherstellung der Stromversorgung getroffen werden. Da es sich um ein Siliziumprodukt handelt, bietet es natürlich eine Reihe nützlicher Funktionen. Übertemperaturüberwachung, Überspannungsbegrenzung, Unterspannungsabschaltung und Rückstromschutz sind nur einige der wertvollen Extras, die diese neuen Geräte bieten.
Integration der eFuse-Technologie
Natürlich kann jede Anwendung, die zusätzliche vom Benutzer installierte Submodule mit Strom versorgt, wie z. B. gespeiste Oszilloskop-Tastköpfe oder speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), von der eFuse-Technologie profitieren. Lösungen wie die TCKE8xxx-Serie von Toshiba lassen sich dank ihres kompakten WSON10B-Gehäuses von 3.0 x 3.0 x 0.7 mm problemlos integrieren.
Die Geräte bieten einen Kurzschluss-Auslösestrom von 5.0 A mit einer Genauigkeit von ±11 % und je nach ausgewähltem Gerät eine automatische oder verriegelte Wiederholungsreaktion. Dank des integrierten Fast-Trip-Komparators schalten die Geräte im Fehlerfall innerhalb von 150 ns ab. Die Serie ist auch nach IEC 62368 zertifiziert, was den Weg für diejenigen, die Einzelgeräte-Fehlermodi treffen möchten, erheblich erleichtert Der Einschaltwiderstand (RON) des integrierten Schalters beträgt respektable 28 mΩ, während die Anstiegsgeschwindigkeit den Steuereingang steuert Strom- und Unterspannungsabschaltung können mit externen Komponenten eingestellt werden.
Auch die interne Temperaturüberwachung bietet Schutz und schaltet bei Erreichen von 160 °C automatisch den Ausgang ab. Je nach gewählter eFuse kann dieser Schutz entweder blockiert werden, was einen Reset über den EN-Enable-Pin erfordert, oder der Schalter schaltet die Stromversorgung wieder ein, sobald er auf etwa 20 °C abgekühlt ist. Der angebotene Überspannungsschutz wird durch das genau gewählte Gerät bestimmt. Eine eFuse bietet eine perfekte und kompakte Lösung für USB-Ladegeräte und Akkupacks und schützt den Ladeausgang (Abbildung 2). Der TCKE805NL bietet die optimale Einstellung und bietet Sperrschutz zusammen mit einer festen Überspannungsklemme bei 6.04 V. Ein an ILIM angeschlossener 75-kΩ-Widerstand dient dazu, den Strom auf 1.5 A zu begrenzen, während ein 2-nF-Kondensator eine Rampenzeit von 4 ms im Einschaltzustand bietet.
1.0-μF-Eingangs- und -Ausgangskondensatoren in der Nähe der VIN- und OUT-Pins reduzieren Spannungsüber- und -unterspannungen bei plötzlichen Änderungen der Stromaufnahme. Bei Bedarf kann auch ein N-Kanal-FET zum Schutz vor Rückströmen integriert werden.
Zusammenfassung
Irgendwie scheint es eine Schande, dass die bescheidene Sicherung nie den gleichen Status wie ihre anderen elektrischen Komponenten erreicht hat, obwohl sie im gleichen Zeitraum wissenschaftlich untersucht wurde. Natürlich sind Sicherungen und PPTCs seit vielen Jahren ein wesentlicher Bestandteil unserer Sicherheitswerkzeuge. Die heute erforderliche Art des Schutzes richtet sich jedoch häufig eher gegen von Menschen verursachte Ausfälle als gegen vollständige Systemausfälle.
Konfigurierbare eFuses bieten Anwendungen einen zuverlässigen und dennoch rücksetzbaren Schutz, der dazu beiträgt, die Lebensdauer von Anwendungen zu verlängern und in vielen Fällen den Bedarf an Technikerunterstützung zu reduzieren.
