Dlaczego bezpieczniki zapalają się przy określonym prądzie?

Zazwyczaj określamy maksymalny prąd, jaki może przewodzić przewodnik (taki jak bezpiecznik) bez spalania. Ale czy przewodnik naprawdę nie zawodzi, gdy pewna ilość energii / ciepła zostanie rozproszona w przewodniku? Następnie przewód ma zbyt wysoką temperaturę i pali się / topi.

Powiedzmy, że mam bezpiecznik o wartości 10A. Dlaczego więc mogę stale włączać bezpiecznik przy niższym prądzie, takim jak 9A, bez zapalania się bezpiecznika, ale nieco później?

Wiemy również, że moc, napięcie i prąd są powiązane prawem Ohma. Więc jeśli mamy bezpiecznik 10 A i ma on pewną dowolną rezystancję, taką jak 100 omów, dlaczego nie nazwiemy go bezpiecznikiem 1 kV (10 A * 100 omów) lub bezpiecznikiem 10 kW (10 A * 10 A * 100 omów)? Liczby te są całkowicie dowolne, więc wiem, że nie odzwierciedlają rzeczywistości, ale wyjaśniają mój punkt widzenia.

Więc jeśli mamy bezpiecznik 10 A i ma on pewną dowolną rezystancję, na przykład 100 omów ...

Ten typowy bezpiecznik 10 A ma oporność 5 mΩ. Tak więc twoje domysły zostały wyeliminowane około 20 000 razy. Przy 10 A rozpraszana moc jest podawana przez $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

ODPORNOŚĆ: Rezystancja bezpiecznika jest zwykle niewielką częścią całkowitej rezystancji obwodu. Ponieważ rezystancja bezpieczników ułamkowych natężenia może wynosić kilka omów, fakt ten należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu ich w obwodach niskiego napięcia. Rzeczywiste wartości można uzyskać, kontaktując się z Littelfuse. Źródło: Littlefuse Fuseology Application Guide (który jest wart przeczytania).

Przyczyną wyższej rezystancji w bezpiecznikach ułamkowych jest to, że drut bezpiecznikowy ma mniej więcej taką samą długość jak wersja 10 A, ale musiałby być znacznie drobniejszy, aby przepalić go na przykład przy 100 mA. Bezpiecznik 100 mA może chronić obwód, który zwykle pobiera, powiedzmy, 50 mA. Gdyby rezystancja bezpiecznika wynosiła 1 Ω, wówczas spadłby na nią spadek o 50 mV.

Wymaganą średnicę drutu bezpiecznikowego można obliczyć z

... dlaczego nie nazwiemy go bezpiecznikiem 1kV (10 A * 100 omów) lub bezpiecznikiem 10 kW (10 A * 10 A * 100 omów)?

Ponieważ jest to ponad prądu urządzenie zabezpieczające. Bezpieczniki mają już napięcie znamionowe, co oznacza coś zupełnie innego. Patrz poniżej.

Bezpiecznik wymaga kilku wartości znamionowych:

• Prąd (który moim zdaniem jest dość oczywisty).
• Napięcie znamionowe bezpiecznika. Określa maksymalne napięcie, które może niezawodnie zerwać bez tworzenia i podtrzymywania łuku wewnętrznego.
• Ocena czasu - jak szybko będzie wiać.

Artykuł Littlefuse omawia je wszystkie bardzo szczegółowo, więc nie ma potrzeby ich tu reprodukować.

1. Przewód ulega uszkodzeniu, gdy osiągnie określoną temperaturę. Ponieważ bezpiecznik jest w kontakcie termicznym z otoczeniem, może rozproszyć pewną ilość mocy, zanim przepali się.
2. Twój bezpiecznik 10 A jest zaprojektowany do pracy przy 10 A (plus lub minus pewna tolerancja). Powinien więc działać o 9A przez cały dzień.
   • Ale ten bezpiecznik 10 A zajmie sporo czasu, aby zadziałać przy 10 A, i zadziała znacznie szybciej przy 20 A, i może źle się zachowywać, jeśli przepchniesz przez niego 100 A. Do bezpieczników istnieje cała, w większości zaniedbana nauka.
   • A jeśli uruchomisz ten bezpiecznik 10 A przy 9 A lub 9,8 A przez cały dzień, będzie on działał na gorąco i powoli ulegał degradacji.
   • Co wszystko oznacza, że ​​jeśli naprawdę ważne jest to, jak szybko wieje lub jak długo to trwa, musisz porozmawiać z producentem bezpiecznika.
3. Bezpieczniki są oceniane w amperach, ponieważ na tym zależy większość ludzi instalujących bezpieczniki. Idealny bezpiecznik 10 A nie powoduje spadku napięcia i nie przepala się ani nie degraduje nawet przy nanoampie poniżej 10 A, ale przepala się natychmiast (lub po upływie ściśle określonego czasu) powyżej tego. Nie istnieją idealne bezpieczniki.
4. Zastanawiając się nad tym wszystkim, możesz chcieć wykopać niektóre arkusze danych bezpieczników i poszukać . Dobre firmy (Bussman, Littlefuse itp.) Określają to - i istnieją takie rzeczy, jak bezpieczniki zwłoczne, zaprojektowane do tymczasowego przeciążenia, oraz bezpieczniki szybkobieżne, które reagują szybciej niż „zwykłe” bezpieczniki. Jeśli sposób, w jaki musi zadziałać bezpiecznik, jest niestandardowy i krytyczny, zaprojektowanie go może stać się dość inżynieryjnym zadaniem.

Zwykle bezpiecznik nie wie, w którym obwodzie napięciowym jest używany - zna jedynie przepływający przez niego prąd, więc jest to jedyna rzecz, która może spowodować jego przepalenie.

Bezpieczniki mają również napięcie znamionowe, ponieważ po przepaleniu bezpiecznika będzie na nim występowało pełne napięcie obwodu, więc musi być zaprojektowane tak, aby bezpiecznie obsługiwać to napięcie bez wyładowania łukowego.

Zadaj sobie pytanie: Do czego służy bezpiecznik?

1. Ogranicz napięcie na bezpieczniku? Nie, to nie ma sensu.
2. Ogranicz moc, którą bezpiecznik rozprasza wewnętrznie? Nie. To też nie ma sensu.
3. Ogranicz prąd przepływający przez bezpiecznik? Zaskakujące, nie! Zadaniem bezpiecznika nie jest ochrona się przed niczym. Zadaniem bezpiecznika jest ochrona ładunku. Załóżmy więc, że zależy Ci na prądzie w obciążeniu, wtedy martwiłbyś się tylko prądem, na który przepływa bezpiecznik, jako dodatkową kwestią, ponieważ obciążenia i prądy bezpiecznika są takie same
4. Ograniczyć napięcie w obciążeniu? Prawdopodobnie tak, ale istnieją takie problemy z bezpiecznikami oceniającymi, które omówię poniżej.
5. Ograniczyć moc w obciążeniu? Prawdopodobnie tak, ale istnieją takie problemy z bezpiecznikami oceniającymi, które omówię poniżej.
6. Ogranicz prąd w obciążeniu? Tak! Ostatecznym celem bezpiecznika jest ochrona ładunku. Omówię, dlaczego prąd jest ważniejszy niż napięcie lub moc w # 4 lub # 5

Obciążenie jest królem. Bezpiecznik nie jest przeznaczony do sam wybuchu. Bezpiecznik ma na celu ochronę ładunku. Tęsknisz za lasem dla drzew, jeśli skupiasz się tylko na tym, kiedy przepali się bezpiecznik. Ostatecznie nie obchodzi mnie CAŁKOWICIE, jakie napięcie jest na bezpieczniku ani jaka moc rozprasza bezpiecznik, gdy się przepala. To, na czym mi zależy, to prąd pobierany przez obciążenie, gdy przepala się bezpiecznik (i przez rozszerzenie prądu w bezpieczniku, gdy pada).

Można argumentować, że ogranicza moc AT LOAD lub napięcie AT LOAD, ale nie można oceniać bezpieczników na podstawie mocy obciążenia lub napięcia, ponieważ liczby te zależą od samego obciążenia. Innymi słowy, oznacza to, że bezpiecznik nie może być sklasyfikowany w taki sposób, nie znając dokładnie charakterystyk obciążenia, z którym jest używany.

Mówiąc bardziej rygorystycznie, dzieje się tak, ponieważ położenie bezpiecznika w obwodzie nie pozwala mu obserwować mocy ani napięcia na obciążeniu. Może jedynie obserwować prąd przepływający do odbiornika. Oczywiście bezpiecznik może zaobserwować własny spadek napięcia lub rozproszenie mocy z pozycji w obwodzie, ale już ustaliliśmy, że nie ma to znaczenia dla ochrony systemu.

Jeśli podasz mi bezpiecznik o napięciu znamionowym na podstawie napięcia lub watów, muszę przejść przez szereg niepotrzebnych obliczeń, które uwzględniają cechy mojego obciążenia, aby dowiedzieć się, czy prąd, przy którym przepali się bezpiecznik, ma chronić moje obciążenie z nadprądu, przepięcia lub przeciążenia.

Kluczową kwestią do zrozumienia jest materiał, z którego wykonane są przewody bezpieczników. To zwykły, prosty metal. Jednak metal ma właściwość bycia zimnym przewodnikiem : jeśli podgrzejesz drut, staje się on coraz mniej przewodnikiem, a bardziej rezystorem.

Teraz, jeśli masz bezpiecznik, który działa poniżej jego limitu prądu, zamienia odrobinę energii elektrycznej w ciepło, które szybko się rozprasza, a drut pozostaje chłodny. W związku z tym ma bardzo niską rezystancję, więc tylko niewielka ilość spadków napięcia na bezpieczniku.

Gdy prąd przepływający przez bezpiecznik wzrośnie powyżej progu, drut bezpiecznika staje się cieplejszy. Oznacza to, że jego rezystancja rośnie, większa część napięcia spada na bezpieczniku i jako taka zamienia więcej energii elektrycznej w ciepło. Ciepło w przewodzie bezpiecznika powoduje wytwarzanie większej ilości ciepła . Jest to proces samowzmocnienia, a ponieważ dostępna jest tak duża ilość energii elektrycznej, która po prostu przepływała przez bezpiecznik, gdy było zimno, gorący bezpiecznik może pobierać dużą moc z prądu, nawet zanim znacząco wpłynie na napięcie w urządzeniu .

Z powodu tego samowzmacniającego się procesu nagrzewania bezpiecznik szybko się przegrzewa, hamując obwód.

Prawdą jest, że przewodnik bezpiecznika nagrzewa się w odpowiedzi na przepływający przez niego prąd. Sam drut został zaprojektowany tak, aby rozpraszać to ciepło przez przewodzenie do jego otoczenia, aby bezpiecznik się nie stopił - dopóki energia w nim rozproszona nie przekroczy zdolności drutu do odprowadzenia tego ciepła. Następnie ciepło gromadzi się do punktu, w którym topi się drut bezpiecznikowy. Poprzez dodanie do przewodu masy, jego termiczna stała czasowa jest zwiększona, które dostarcza zdolności do jej obsługi krótki skokami overcurrent-, powodującej slo blo bezpiecznika.

Ale czy przewodnik naprawdę nie zawodzi, gdy pewna ilość energii / ciepła zostanie rozproszona w przewodniku? Następnie przewód ma zbyt wysoką temperaturę i pali się / topi. [...] Dlaczego więc mogę stale włączać bezpiecznik przy niższym prądzie, takim jak 9A, bez zapalania się bezpiecznika, ale nieco później?

Nie ma znaczenia, ile energii zostało rozproszone w bezpieczniku. Liczy się to szybkość , z jaką energia jest rozpraszana do bezpiecznika (to moc - I ² R) w porównaniu do szybkości, z jaką energia jest rozpraszana z bezpiecznika za pomocą promieniowania ciepła i przewodzenie ciepła.

Kiedy energia wchodzi do bezpiecznika szybciej niż gaśnie, bezpiecznik się nagrzewa. Gdy jednak bezpiecznik się nagrzeje, wzrasta szybkość, z jaką energia jest rozpraszana z bezpiecznika. Temperatura będzie rosła, dopóki moc cieplna wypływająca z bezpiecznika nie będzie odpowiadała mocy cieplnej wchodzącej (I ² R).

Bezpiecznik szybko osiągnie temperaturę równowagi, która jest określona przez prąd. Gdy ta temperatura jest zbyt wysoka, bezpiecznik przepali się.

W zależności od materiału bezpiecznika może on wybuchnąć, gdy temperatura równowagi osiągnie temperaturę topnienia materiału, lub może wybuchnąć przez niekontrolowany wzrost temperatury, o którym wspomina @cmaster w swojej odpowiedzi. W tym momencie, rosnąca temperatura bezpiecznika zwiększa moc w szybciej niż wzrasta moc out , a równowaga jest stracone.

Bezpieczniki są przeznaczone dla prądu roboczego . Bezpiecznik 10 A nie przepali się (lub „powoli degraduje”) przy 9 A, a nawet 10 A. Oznaczenie 10A oznacza jedynie, że producent gwarantuje, że będzie działać zgodnie z oczekiwaniami, o ile nie przekroczysz wartości znamionowej.

Oczywiście oznacza to, że bezpiecznik 10 A nie zadziała, gdy przekroczysz 10 A. W rzeczywistości, jeśli spojrzysz na arkusz danych , zobaczysz, że potrzebujesz czegoś takiego jak 20A, aby w ogóle zapalić bezpiecznik 10A, a może 30 + A, jeśli chcesz, aby stało się to dość szybko.

Bezpieczniki mają również wartości spadku napięcia, w rzeczywistości potrzebujesz zarówno prądu, jak i napięcia, aby wysadzić kawałek drutu. Ale ponieważ użytkownicy końcowi zwykle chcą dokładnego prądu, producenci nie mierzą dokładnie spadku napięcia i podają tylko typową / maksymalną wartość. Wyobraź sobie, że mówię ci, że mam bezpiecznik 150 mV / 5 mOhm: czy uważasz, że wystarczyłoby to do zabezpieczenia np. Obciążenia sieci 1kW? Musisz dowiedzieć się, jaka jest aktualna ocena.