I termistori SMD possono fornire protezione contro le sovracorrenti per l'elettronica?

Protezione ripristinabile contro le sovracorrenti tramite termistori SMD

Meccanismo autorigenerante dei termistori SMD: l’effetto PTC in forma miniaturizzata

Oltre a fornire una protezione miniaturizzata contro i sovraccarichi di corrente con auto-ripristino, i termistori SMD sfruttano l'effetto del Coefficiente di Temperatura Positivo (PTC). In un termistore, una corrente eccessiva innescava un evento PTC, provocando un improvviso aumento della resistenza, migliaia di volte superiore al valore iniziale, in pochi millisecondi (a causa del riscaldamento Joule). Ciò non solo protegge in modo permanente il/i componente/i posti sul percorso della corrente, ma consente anche il ripristino automatico del dispositivo PTC inserito in serie sullo stesso percorso. Questa caratteristica di auto-ripristino differenzia i dispositivi PTC dai fusibili convenzionali. I dispositivi PTC consentono il funzionamento continuo dell’intero sistema durante comuni sovratensioni o condizioni di guasto di breve durata, aspetto particolarmente apprezzato dalla maggior parte degli ingegneri. I sovraccarichi temporanei del circuito rappresentano una caratteristica funzionale, non un difetto, di questi dispositivi. I dispositivi PTC sono stati ridotti a dimensioni compatibili con i pacchetti 0201, il che significa che occupano meno di un millimetro quadrato di superficie sulla scheda a circuito stampato (PCB).

I termistori SMD sono realizzati con componenti a stato solido, il che li rende particolarmente vantaggiosi in presenza di urti e vibrazioni. Questi tipi di componenti sono ideali per sistemi automobilistici e industriali, poiché devono sopportare notevoli vibrazioni. Sebbene i fusibili svolgano un ruolo fondamentale nella gestione di picchi di corrente molto elevati, superiori a 10 kA, dal punto di vista dei costi a lungo termine i termistori SMD rappresentano la soluzione migliore. In scenari di guasto ricorrenti, come quelli riscontrabili nelle unità di alimentazione e nei controlli dei motori, i termistori SMD consentono un risparmio del circa 60% sui costi di manutenzione. Durante il funzionamento, i componenti (a base ceramica o polimerica) garantiscono punti di intervento costanti nell’intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +125 °C, con una variazione massima del 7%.

Criteri chiave di selezione per la progettazione della protezione da sovracorrente: termistori SMD

Tensione nominale, corrente di mantenimento (Ihold) e temperatura ambiente nelle schede a circuito stampato (PCB)

Nella selezione dei termistori SMD, occorre tenere in considerazione tre aspetti fondamentali: la tensione nominale, la corrente di ritenzione (Ihold) e la temperatura ambiente. La tensione nominale deve essere superiore al valore massimo della tensione prevista nel circuito a cui è collegato il termistore, per eliminare il rischio di rottura dielettrica. Ciò risulta particolarmente importante nelle applicazioni ad alta potenza, come le porte USB-C PD e i pannelli di controllo industriale, dove possono verificarsi picchi di tensione. La corrente di ritenzione per i componenti SMD si colloca generalmente nell’intervallo compreso tra 30 milliampere e 14 ampere; al di sopra di tale valore, il coefficiente di temperatura positivo (PTC) determina un aumento della resistenza e quindi una riduzione del flusso di corrente. Inoltre, sono importanti anche i parametri di funzionamento e la temperatura nominale del termistore. I dispositivi classificati per un funzionamento a 25 gradi Celsius iniziano spesso a intervenire (trip) e a resettarsi a 40 gradi Celsius a causa della derating termica. Gli ingegneri progettisti devono tenere conto del calore generato dai componenti adiacenti.

La vicinanza tra i processori e i circuiti integrati di gestione dell'alimentazione fa aumentare la temperatura locale della scheda di 15–20 gradi Celsius, riducendo potenzialmente la corrente di ritenuta efficace di circa il 33 percento. Una stima errata di questi valori può causare spegnimenti prematuri che interrompono la continuità operativa oppure reazioni pericolosamente ritardate in caso di guasto.

Bilanciamento tra dimensioni dei pacchetti SMD 0201 e 1206, comportamento termico e potenza dissipata

Nella progettazione di circuiti elettronici, le dimensioni influenzano in modo significativo il comportamento della protezione contro i sovraccarichi dei componenti. I package 0201 e 0402 consentono di ottimizzare al massimo lo spazio disponibile sulla scheda, in particolare nei dispositivi indossabili e nei dispositivi IoT. Tuttavia, a causa delle loro ridotte dimensioni, questi componenti si riscaldano rapidamente e attivano i circuiti di protezione contro i sovraccarichi in pochi millisecondi. Al contrario, i package 0805 e 1206 possono sopportare correnti continue più elevate, fino a 5 ampere. Di conseguenza, sono adatti ad ambienti gravosi, come i sistemi di intrattenimento automobilistico, dove l'affidabilità è fondamentale. Il compromesso consiste nel fatto che, per i package di dimensioni maggiori, dotati di una massa termica più elevata, i tempi di risposta termica sono del 15%–40% più lenti, ponendo quindi una sfida progettuale per gli ingegneri, chiamati a valutare se, per la funzione prevista del prodotto finale, sia più importante lo spazio disponibile sulla scheda oppure il tempo di risposta termica.

Risposta termica: i dispositivi 0402 sono in grado di rilevare i guasti quasi due volte più velocemente rispetto ai dispositivi 1206, ma possono gestire circa il 60% in meno di energia prima di guastarsi.

Gestione della potenza: i componenti in package 1206 possono dissipare fino a 1,2 W, mentre quelli in package 0201 possono dissiparne soltanto 0,25 W, rendendoli adatti per applicazioni di azionamento motore e per linee di alimentazione ad alta corrente.

Vincoli di layout PCB: i componenti 0201 sono talvolta richiesti in progetti con ingombro molto ridotto, ma è necessario prevedere rilievi termici e isolamento per evitare il riscaldamento incrociato da componenti adiacenti.

Differenze importanti di prestazione nei termistori SMD in ceramica e in polimero.

Comportamenti specifici del materiale: coefficiente di temperatura della resistenza (TCR), tempo di intervento, rapporti tra corrente di mantenimento e corrente di scatto.

Le differenze prestazionali tra termistori SMD in ceramica e in polimero sono dovute principalmente ai diversi materiali impiegati. Ad esempio, le ceramiche sono spesso realizzate con titanato di bario drogato, che offre un’eccellente conducibilità termica e stabilità. Questo tipo di materiale garantisce valori coerenti del coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) pari a circa ±4% per °C ed esibisce un rapporto tra corrente di mantenimento e corrente di intervento di circa 1,5:1. Ciò riduce al minimo la possibilità di interventi intempestivi nei circuiti sensibili alle fluttuazioni di tensione. Al contrario, i termistori in polimero si comportano in modo diverso poiché utilizzano una matrice polimerica caricata con carbonio.

Possono reagire molto più rapidamente, talvolta in circa mezzo secondo, ma la deriva del loro TCR è di ±15% per grado. Di conseguenza, quando le variazioni di temperatura sono irregolari, questi dispositivi possono diventare insensibili. Le principali differenze tra questi approcci dipendono essenzialmente da…

Dinamica di intervento: le ceramiche rispondono in modo più lineare e graduale alle variazioni di temperatura, mentre i polimeri reagiscono in modo più istantaneo agli sovracorrenti

Rapporto di ritenzione/attivazione: le ceramiche presentano rapporti più stretti (1,5:1), che contribuiscono a mantenere l’accuratezza; i polimeri hanno generalmente un rapporto di 2:1, aumentando la probabilità di attivazioni errate

Affidabilità a lungo termine: dopo 10.000 cicli, le ceramiche presentano una deriva del coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) inferiore a ±5% per tutta la loro vita utile, mentre i polimeri possono raggiungere una deriva di ±20%, rendendoli poco affidabili per applicazioni critiche o a lungo ciclo di vita

Per schede PCB in cui è fondamentale l’accuratezza — in particolare quelle utilizzate per alimentare sensori analogici o amplificatori a basso rumore — i termistori SMD in ceramica rappresentano la scelta più indicata per garantire coerenza, mentre i corrispondenti in polimero sono ideali quando si privilegia la velocità e la possibilità di ripetuti reset rispetto all’accuratezza.

Applicazioni pratiche dei termistori SMD nell’elettronica odierna

Protezione dell’alimentazione USB-C PD mediante termistori SMD realizzati in polimeri

I termistori polimerici compatti ripristinabili SMD nel formato 0402 (circa 1 mm × 0,5 mm) forniscono protezione contro le sovracorrenti per le porte USB-C Power Delivery. In caso di cortocircuiti o picchi di potenza, questi termistori reagiscono circa dieci volte più velocemente dei fusibili convenzionali, limitando le correnti di guasto a livelli sicuri. Grazie alle loro ridotte dimensioni, i termistori SMD presentano una massa termica molto bassa, consentendo loro di mantenere soglie di intervento costanti (± 7,00%) anche in ambienti termici diversi. A differenza dei fusibili tradizionali, i termistori SMD si ripristinano automaticamente dopo un periodo di raffreddamento, risultando quindi privi di manutenzione. Nel Rapporto di conformità USB-C PD 2022, è documentato un numero superiore a 100.000 cicli operativi per questi dispositivi a carichi pieni di 100 watt, confermando l'affidabilità dei dispositivi elettronici di consumo su larga scala.

Termistori SMD in ceramica. I termistori SMD in ceramica sono dispositivi di protezione contro le sovracorrenti, estremamente affidabili in applicazioni soggette a forti vibrazioni, come quelle automotive e dell’Internet delle Cose industriale (IIoT), poiché le sollecitazioni meccaniche sui loro elementi compromettono le soluzioni elettromeccaniche.

- Integrità del montaggio. La saldatura diretta sulla scheda a circuito stampato (PCB) mediante saldatura a riflusso garantisce che il componente non si stacchi nemmeno sotto i carichi vibratori più severi, fino a 5G.

- Derating termico. Il componente può essere utilizzato in modo stabile in un intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +125 °C, senza necessità di ricalibrazione o compensazione.

- Distanziamento sicuro (failsafe). Mantenere una distanza di almeno 3 mm su entrambi i lati del componente rispetto a circuiti integrati (IC) che operano a temperature elevate previene attivazioni indesiderate del componente.

I termistori ceramici SMD per uso automobilistico sono disponibili nelle dimensioni standard 0603 e 0805 e sono in grado di resistere a urti superiori a 50 g senza staccarsi dalla scheda, il che li rende ideali per applicazioni automobilistiche ad alta affidabilità, quali i sistemi ADAS, la telematica e le tecnologie V2X. Rispetto agli interruttori a lamina protettivi utilizzati nei dispositivi di scarico dello stress, questi termistori offrono prestazioni quattro volte migliori, motivo per cui i produttori hanno optato per il nuovo termistore. Nel «Logistics Electronics Reliability Study 2024», questi dispositivi sono stati sottoposti a test ed è stato riportato che hanno funzionato perfettamente anche dopo 500.000 cicli di vibrazione. Anche il rapporto di guasto dello 0,2 % costituisce un ulteriore motivo per cui altri produttori stanno adottando questa nuova transizione per condizioni operative particolarmente gravose.

Qual è il ruolo dei termistori SMD nei circuiti?

I termistori SMD utilizzano il coefficiente di temperatura positivo (PTC) e forniscono una protezione ripristinabile contro i sovracorrenti. Possono ripristinarsi automaticamente dopo eventi di protezione da sovracorrente.

In che modo i termistori SMD sono migliori dei fusibili?

I fusibili sono dispositivi monouso, mentre i termistori SMD si ripristinano autonomamente più volte. Sono preferibili nella maggior parte delle situazioni caratterizzate da elevate vibrazioni, poiché agiscono più rapidamente e in modo più affidabile.

Quali specifiche devono essere considerate nella scelta di un termistore SMD?

Affinché il termistore SMD fornisca la protezione e la funzionalità ottimali al circuito, le specifiche da far corrispondere alla progettazione del circuito includono la tensione nominale, la corrente di ritenzione e la temperatura ambiente.

In quali contesti i termistori SMD risultano particolarmente utili?

Grazie alla loro capacità di resistere a cicli frequenti e ad alte temperature, i termistori SMD risultano particolarmente utili in ambito industriale e automobilistico, nei dispositivi IoT e nelle porte USB-C Power Delivery.