Понимание деталей работы и реализации предохранителей

Основы

Предохранитель представляет собой простой и эффективный способ защиты от опасных уровней тока:

1. ток, протекающий через ненулевое сопротивление проводника, приводит к рассеиванию мощности;
2. мощность рассеивается в виде тепла;
3. тепло поднимает температуру проводника;
4. если комбинация амплитуды и продолжительности тока достаточна для повышения температуры выше точки плавления предохранителя, предохранитель становится разрывом цепи, и поток тока прекращается.

Хотя основы работы предохранителя не сложны, но есть тонкие моменты, о которых следует помнить. Остальная часть данной статьи поможет вам понять некоторые важные детали, связанные с поведением и использованием предохранителей.

Что это такое

Предохранитель — это специальное устройство, выполняющее функцию защиты прибора-потребителя электроэнергии от возникающих перегрузок и коротких замыканий в сети. Устройство состоит из корпуса изоляции, плавких вставок и выводов, с помощью которых вставки крепятся к электроцепи. Для того чтобы эта вставка охлаждалась и гасила ток, в некоторые виды предохранителей добавляют песок кварца. Когда происходит скачок тока в предохранителе, в первую очередь плавится его зауженная плоской вставки.

Важно! Если вставка расплавится полностью, то цепь будет разомкнута. Основано это на том, что устройство подключается к сети последовательно.

Тепло, а не ток

Предохранитель срабатывает не непосредственно по току; скорее, ток создает тепло, а тепло отключает предохранитель. Это на самом деле довольно важное различие, поскольку это означает, что на работу плавкого предохранителя влияет температура окружающей среды и временны́е характеристики тока.

Указанный номинальный ток предохранителя относится только к определенной температуре окружающей среды (обычно или, может быть, всегда, это 25°C), и, следовательно, вам необходимо учесть это при выборе предохранителя, если вы разрабатываете устройство, которое будет работать на открытом воздухе, скажем, в Антарктиде или Долине Смерти. На следующем рисунке показано, как температура окружающей среды влияет на фактический номинальный ток относительно указанного номинального тока при 25°C для трех типов предохранителей.

Относительное изменение номинального тока плавких предохранителей в зависимости от температуры окружающей среды

Что касается временны́х характеристик тока, проходящего через плавкий предохранитель, всё, что мы знаем, это то, что эффект тепла накапливается с течением времени (мгновенное касание горячей сковороды – ничто по сравнению с ее поднятием и осознанием того, насколько горячо, когда вы находитесь на полпути между плитой и обеденным столом). Следовательно, номинал тока предохранителя является упрощением его реального поведения. Мы не можем ожидать, что плавкий предохранитель будет реагировать на высокоамплитудные переходные процессы, поскольку кратковременность высокой рассеиваемой мощности не увеличивает температуру до значения, достаточного для отключения.

На следующем графике показаны временны́е характеристики для группы плавких предохранителей, изготовленных Panasonic. Номинальный ток находится вверху, а кривая представляет собой время, необходимое для отключения плавкого предохранителя в зависимости от величины тока, протекающего через предохранитель.

Временные характеристики плавких предохранителей

Как вы можете видеть, амплитуды тока при переходных процессах должны быть намного выше, чем номинальный ток. Например, вам нужно 3 ампера, чтобы отключить предохранитель на 0,5 ампера, если продолжительность перегрузки по току составляет всего 1 миллисекунду.

Газогенерирующие плавкие предохранители

Газогенерирующие плавкие предохранители (их называют также стреляющими предохранителями) предназначены для наружной установки в устройствах 35 и 110 кВ.

Рис.2. Патрон газогенерирующего плавкого предохранителя типа ПВТ-35

На рис.2 показан патрон предохранителя типа ПВТ-35 (предохранитель выхлопной для защиты силовых трансформаторов и линий напряжением 35 кВ). В корпус патрона 1 помещены трубки 2 и 3 из винипласта, соединенные между собой стальным патрубком 4, а также плавкая вставка 5, прикрепленная одним концом к токоведущему стержню 6, а вторым — к гибкому проводнику 7 с наконечником 8.

Рис.3. Газогенерирующий плавкий предохранитель типа ПВТ-35

Патрон устанавливается на основании предохранителя (рис.3), состоящем из цоколя 1, двух опорных изоляторов 2 с головками — верхней 3 и нижней 4 с зажимами для крепления проводников. На нижней головке укреплен контактный нож 5, снабженный пружиной и сцепленный с наконечником патрона. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, тянет за собой гибкий проводник. Под действием дуги стенки винипластовых трубок выделяют газ, давление в патроне повышается и дуга гасится в потоке газа, вытекающего из патрона через нижнее отверстие, а также через клапан бокового отверстия патрубка. Срабатывание предохранителя сопровождается звуковым эффектом, похожим на ружейный выстрел. Гибкий проводник выбрасывается из патрона. Между контактным ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий изоляцию в месте разрыва. Номинальный ток отключения предохранителя типа ПВТ-35 составляет 3,2 кА.

Номинальный ток и рабочий ток

Было бы разумно предположить, что предохранитель, рассчитанный на 6 ампер, можно использовать в цепи, которая может постоянно потреблять 5 ампер. Однако оказывается, что это не очень хорошая практика при проектировании. Номинальный ток предохранителя не является сверхточной характеристикой, и, кроме того, (как обсуждалось выше) фактический ток отключения зависит от температуры окружающей среды. Следовательно, чтобы избежать «ложного срабатывания», у вас должен быть достаточно большой разрыв между ожидаемым вами, постоянно потребляемым током и номинальным током вашего предохранителя. Этот документ от Littelfuse предполагает «переоценку» на 25% (для работы при комнатной температуре); таким образом, предохранитель с номинальным током 10 ампер может использоваться, только если постоянный ток схемы будет оставаться ниже 7,5 ампер.

Принцип работы

Предохранители работают в двух режимах:

Первый режим предполагает нормальные условия. При нормальном функционировании сети и конкретного прибора температура вставки имеет установившееся значение. Вся теплота, выделяемая устройством, отдается в окружающую среду. Помимо этого, нагреваются также контакты и другие части прибора. Температура нагревания не должна превышать нормальных значений штатной работы.

Второй режим — резкий скачок силы тока в сети. Чтобы время плавления вставки электропредохранителя сократилось, сам элемент изготавливается в виде пластинки с особыми вырезами, которые уменьшают его сечение на некоторых участках корпуса. На узких участках концентрируется большая теплота, чем на широких.

При возрастании силы тока в случае замыкания выделение теплоты превышает допустимый уровень и теплоотводом обычно пренебрегают. Элемент предохранителя плавится и перегорает и сила тока не может возрасти больше допустимого значения.

Важно! В процессе плавления возникает так называемая электрическая дуга, которая в современных элементах гасится в ограниченном патроне электропредохранителя

Вы должны быть разборчивы

Скажем, ваша схема включает в себя чувствительный компонент, который точно будет поврежден, если через него пойдет ток более 1 ампера. В нормальных условиях схема никогда не должна потреблять более 500 мА, поэтому вы включаете предохранитель с номиналом 900 мА. Это достаточно высоко, чтобы предотвратить ложное срабатывание, и достаточно низко, чтобы гарантировать, что через чувствительный компонент никогда не пойдет ток 1 ампер. Правильно?

Нет. Рассмотрим следующую спецификацию для предохранителей Panasonic, упомянутых в статье ранее:
Таблица взята из технического описания

Мы уже обсуждали тот факт, что тепло требует времени для накопления, и в этом случае требует много времени: вам придется ждать не менее четырех часов, чтобы предохранитель отключился, когда ток равен номинальному значению, и даже при удвоенном номинальном токе задержка составляет до 5 секунд. Суть в том, что чувствительный компонент может поджариться задолго до того, как предохранитель отключится. Вам придется переосмыслить выбор вашего предохранителя или (и это, вероятно, более практичное решение в такой ситуации, как описанная выше) реализовать другой метод работы по защите от больших токов.

Как подключить мультиметр к предохранителю и как проверить его тестером

Проверка предохранителей выполняется время от времени в автоматах щитовых комнат квартир или в автомобилях. Сделать это можно с помощью простого тестера или мультиметра.

Для начала нужно разобраться с типом электропредохранителя. Они бывают патронными и плоскими. Первый имеет форму цилиндра, и продолжительное время использовался в домах и в электроприборах. Этот цилиндр имеет два металлических контакта, с помощью которых он и включается в сеть последовательно. Второй часто используется в автомобилях последние несколько десятков лет. Внешне он похож на вилку провода, так как конструктивно он выглядит как кусочек пластика с торчащими из него контактами.

После этого следует понять, как работает мультиметр. Это прибор, который измеряет силу переменного и постоянного тока, сопротивление и напряжение. С его помощью можно проверить работоспособность любых электроприборов и их элементов. Касается это и электропредохранителя.

Цилиндрический стеклянный предохранитель

Важно! У мультиметра и тестера есть два контакта с положительным и отрицательным знаком. Для проверки он пропускает по контурам прибора или его элемента небольшое количество электричества от своей батареи и проверяет, сколько его вернулось на другой контакт.

Подробная пошаговая инструкция по проверке выглядит следующим образом:

Таким образом, электропредохранитель в современной технике — важная и нужная вещь, способная защитить приборы и человека от воздействия большой силы тока, образовавшейся в результате короткого замыкания. Проверить такой элемент цепи на работоспособность можно и простым тестером или мультиметром.

Источник

Не забывайте о напряжении

Предохранители разрабатываются так, чтобы у них было очень низкое сопротивление, поэтому они не оказывают чрезмерного влияния на цепи, которые защищают. Это низкое сопротивление означает, что падение напряжения на предохранителе будет очень маленьким. Почему же у предохранителей указывается номинальное напряжение?

Это правда, что во время нормальной работы на предохранителях падает небольшое напряжение, но номинальное напряжение не относится к нормальной работе. Номинальное напряжение скорее говорит нам, какое напряжение предохранитель может выдержать после того, как он сработал. Перегоревший предохранитель представляет собой разомкнутую цепь, и, если напряжения в этой разомкнутой цепи достаточно, чтобы вызвать искрение, на предохранитель полагаться нельзя.

Хорошей практикой является учитывание номинальных напряжений, если вы используете крошечные плавкие предохранители поверхностного монтажа, например, показанные ниже (обратите внимание, насколько тонким является реальный плавкий элемент). Например, номинал для предохранителя 0603 может составлять 32 вольта или даже 24 вольта.

Структура плавкого SMD предохранителя

Общие правила расчета

Для того, чтобы сделать правильный расчет плавких вставок предохранителей, необходимо учитывать номинальное напряжение. Это значение должно быть таким, при котором предохранитель отключает электрическую цепь. Основным показателем служит минимальное напряжение, предусмотренное для основания и плавкой вставки.

Еще один важный показатель, который должен учитываться при расчетах – напряжение отключения. Этот параметр заключается в мгновенном значении напряжения, появляющегося после срабатывания самого предохранителя или плавкой вставки. Как правило, в расчет принимается максимальное значение этого напряжения.