Dandanes uporabljamo varovalke manj za zaščito pred izpadom sistema in bolj za zaščito pred napakami uporabnika. Vendar pa se niso spremenile le vrste napak, razvijajo se tudi varovalke.
Polprevodniška tehnologija za hitrejšo zaščito
Rutronik GmbH
Avtor: Emilia Mance in Turadj Aliabadi
Taljive varovalke so izvedene s tankim odsekom žice, ki se pri prevelikem toku stali. Tako ustavijo električni tok in zaščitijo priključeno napravo. Dimenzionirajo se glede na dve merili: tok in čas. Tokovna omejitev določa največji dovoljeni tok, preden se varovalka stali. Časovni element omogoča, da varovalka zdrži pričakovane konice toka, ki so pogosto pojavljajo na primer pri vklopu naprave in za kratek čas presežejo omejitev toka.
Glavna težava pri takšnih varovalkah je žrtvovani del: Če varovalka pregori, mora na primer serviser raziskati vzrok in varovalko zamenjati. To je zamudno in lahko povzroči zakasnitve procesov. Odvisno od načina vgradnje varovalke in dostopnosti samega sistema je lahko to tudi težko ter drago.
Dandanes se takšni čezmerni tokovi pogosto zgodijo zaradi napake uporabnika, kot je priključitev okvarjene naprave USB v osebni ali prenosni računalnik. Pri napajalnikih takšnih naprav se namesto taljivih varovalk pogosto uporabljajo polimerne varovalke s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PPTC – Polymeric Positive Temperature Coefficient). To je v bistvu nizkoohmski upor. Če se zaradi prevelikega toka ob napaki preveč segreje, se njegova upornost naglo poveča, kar omeji tok. Ko je napaka odpravljena, se varovalka ohladi in se njena upornost vrne na prvotno nizko vrednost. PPTC-varovalke tako zagotavljajo zaščito, hkrati pa je mogoče sistem po sprožitvi znova zagnati brez potrebe po serviserju.
Počasna zaščita
Nobena od teh dveh vrst varovalk ni posebno hitra: Taljive varovalke praviloma potrebujejo za sprožitev eno sekundo. PPTC-varovalke so hitrejše, vendar pa lahko traja nekaj sekund, da omejijo tok do konca. Taljive varovalke pri tem tok izklopijo, PPTC-varovalke pa prepuščajo manjši tok tudi po sprožitvi. Obe vrsti varovalk sta odvisni od delovne temperature okolja, zato je treba pri dimenzioniranju upoštevati zmanjšanje razpoložljive moči pri višjih delovnih temperaturah.
Hitra varovalka
Polprevodniška tehnologija je v zadnjih nekaj desetletjih izboljšala ali zamenjala številne komponente, tudi varovalke. Elektronski modeli, ki jim običajno pravimo eVarovalke, vse bolj nadomeščajo taljive in PPTC-varovalke. Zagotavljajo boljšo zaščito in možnost ponastavitve s preprostim logičnim vmesnikom, ko je napaka odpravljena. To je priročno za računalniške matične plošče, zlasti na napajalnih vodih za trde diske SATA ali vmesnike USB.
eVarovalke temeljijo na naprednih silicijevih procesih. Nizkoohmska stikala MOSFET zagotavljajo pri prevajanju toka nizke izgube. Vgrajeni analogni komparatorji zelo natančno nadzorujejo tok in lahko v celoti prekinejo napajalno napetost v manj kot mikrosekundi. Gostiteljski procesor lahko nato z vmesnikom eVarovalke ugotovi vzrok za napako in določi čas ponovnega vklopa napajalne napetosti.
Ker so eVarovalke polprevodniški izdelki, seveda ponujajo tudi številne druge uporabne funkcije, med drugim nadzor previsoke temperature, omejevanje prenapetostnih konic, izklop pri prenizkih napetostih in zaščito pred povratnim tokom.
Uporaba eVarovalk
eVarovalke so lahko priročne za vse načine uporabe, kjer napajamo dodatne podenote, na primer sonde osciloskopa ali programirljive logične krmilnike (PLC). Kompaktna (3 x 3 x 0,7 mm) in zato integraciji prijazna rešitev je serija Toshiba TCKE8xxx v ohišju WSON10B. Te naprave imajo izklopni tok kratkega stika 5,0 A s točnostjo ± 11 %. Z vgrajenim komparatorjem s hitrim proženjem se lahko te eVarovalke ob napaki izklopijo v 150 ns. Serija vključuje modele s samodejnim ponovnim vklopom ali z zapahom. Prvi se samodejno ponovno vklopijo, ko se ohladijo za približno 20 °C, drugi pa imajo zapah, ki ga je treba ponastaviti na priključku za omogočanje (EN – Enable). Imajo certifikat po IEC 62368, kar stranki poenostavlja certificiranje celotnega sistema.
Vklopna upornost (RON) vgrajenega stikala je spoštovanja vrednih 28 mΩ, hitrost naraščanja za upravljanje vklopnega toka in podnapetostno zaščito pa je mogoče nastaviti z zunanjimi komponentami. Dodatno zaščito zagotavlja notranji nadzor temperature, ki samodejno izklopi izhod pri 160 °C.
Slika 3 kaže, kako je mogoče takšno eVarovalko uporabiti za zaščito polnilne vtičnice pri USB-polnilnikih in baterijah. TCKE805NL je odlična rešitev, ki zagotavlja zaščito z zapahom in prenapetostno zaščito, fiksno nastavljeno na 6,04 V. Upor 75 kΩ, priključen na priključek ILIM, omejuje tok na 1,5 A, kondenzator 2 nF pa zagotavlja čas vklopa 4 ms. Vhodni in izhodni kondenzator 1,0 µF blizu priključkov VIN ter OUT zmanjšata prenihaje in padce napetosti pri nenadnih spremembah toka. Po potrebi lahko vgradimo tudi N-kanalni FET za zaščito pred povratnimi tokovi.
Zgodba varovalke
Pri delu z upori se vedno velja spomniti na nemškega fizika Georga Ohma. Ko gre za kondenzatorje, pomislimo na angleškega znanstvenika Michaela Faradaya, pri dimenzioniranju induktivnih elementov pa na Američana Josepha Henryja. Vendar pa se je v začetku 19. stoletja, ko so začeli preučevati lastnosti preprostih taljivih varovalk, zdelo, da zanimanje za te tri osnovne gradnike pada.
Za razvoj preproste varovalke, katere angleško ime izvira iz latinskega izraza »fusus« (staljeno), je zaslužen predvsem Arthur C. Cockburn. Čeprav je novoustanovljeno londonsko združenje telegrafskih inženirjev (Society of Telegraph Engineers) leta 1888 zasmehovalo njegovo eksperimentalno natančnost, je želel znanstveno določiti dejavnike, ki določajo zanesljivo varovalko. Eden od rezultatov njegovega dela: Varovalka bi se morala izklopiti pri približno od 150 % do 200 % nazivnega toka vezja, ki ga ščiti. Takrat je bila električna razsvetljava še v povojih, telegrafiste pa je bilo treba zaščititi pred udari strele. Varovalka je zato postala kritičen gradnik za varnost te nove panoge.
Zaključek
Taljive in PPTC-varovalke so že dolga leta pomemben varnostni gradnik. Dandanes pa gre pogosteje za zaščito pred napakami, ki jih je povzročil človek, in ne več pred popolnimi izpadi sistema. Tukaj zagotavljajo nastavljive eVarovalke zanesljivo zaščito, ki jo je mogoče ponastaviti, kar pomaga podaljšati življenjsko dobo naprav in pogosto povsem odpravi potrebo po tehnični podpori.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
