Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое предохранитель, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое предохранитель , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Определение
Электрический предохранитель – это устройство или коммутационный аппарат, предназначенный для отключения цепи от источника питания при токе значительно превышающем номинальный. Простыми словами: если устройство почему-то начало потреблять чрезмерный ток – предохранитель разомкнет цепь. Он устанавливается последовательно с защищаемым участком цепи. На схеме предохранитель обозначается так:
Любая электрическая система работает на балансе подводимой и потребляемой энергий. Когда в схему электрооборудования подается напряжение, то оно прикладывается к определенному сопротивлению цепи. В итоге на основании закона Ома вырабатывается ток, благодаря действию которого совершается работа.
При нарушениях изоляции, ошибках монтажа, аварийном режиме сопротивление электрической цепи плавно снижается или резко падает. Это ведет к соответствующему возрастанию тока, который при достижении величины, превышающей номинальное значение, причиняет вред оборудованию и человеку.
Вопросы безопасности всегда были и будут актуальны при использовании электрической энергии. Поэтому защитным устройствам постоянно придается повышенное внимание. Первые такие конструкции, названные предохранителями, широко используются до настоящего времени.
Электрический предохранитель является частью рабочей цепи, врезается в рассечку питающего провода, должен надежно выдерживать рабочую нагрузку и защищать схему от появления сверхнормативных токов. Эта функция заложена в основу его классификации по номинальному току.
По применяемому принципу действия и способу разрыва схемы все предохранители подразделяют на следущие группы:
1. с плавкой вставкой;
2. электромеханической конструкции;
3 Термопредохранители
4. на основе электронных компонентов;
5. самовосстанавливающиеся модели с нелинейными обратимыми свойствами после действия сверхтоков.
Предохранители этой конструкции имеют в своем составе токопроводящий элемент, который под действием тока с величиной, превышающей номинальное установленное значение, расплавляется от перегрева и испаряется. Этим обеспечивается снятие напряжения со схемы и защита ее.
Плавкие вставки могут быть изготовлены из металлов, например, меди, свинца, железа, цинка или отдельных сплавов, обладающих таким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает защитные свойства электрооборудования.
Характеристики нагрева и охлаждения проводников для электрооборудования при установившемся рабочем режиме приведены на рисунке.
Работа плавкой вставки под расчетной нагрузкой обеспечивается созданием надежного баланса температур между теплом, выделяемым на металле от прохождения по нему рабочего электрического тока, и отводом тепла в окружающую среду за счет рассеивания.
При возникновении аварийных режимов это равновесие быстро нарушается.
Металлическая часть плавкой вставки при нагреве увеличивает значение своего активного сопротивления. Это вызывает больший разогрев, поскольку выделяемое тепло прямо пропорционально величине I2R. При этом снова возрастает сопротивление и выделение тепла. Процесс продолжается лавинообразно до тех пор, пока не наступает расплавление, закипание и механическое разрушение плавкой вставки.
При разрыве цепи внутри плавкой вставки возникает электрическая дуга. Через нее до момента полного погасания проходит опасный для установки ток, который меняется по характеристике, показанной на рисунке ниже.
Основным эксплуатационным параметром плавкой вставки является его времятоковая характеристика, определяющая зависимость кратности аварийного тока (относительно номинального значения) ко времени срабатывания.
Для ускорения работы плавкой вставки при малых кратностях аварийных токов используются специальные технические приемы:
создание форм переменного сечения с зонами уменьшенной площади;
применением металлургического эффекта.
Изменение сечения
На сужениях пластин увеличивается сопротивление и создается большее выделение тепла. В нормальном режиме работы эта энергия успевает равномерно распространиться по всей поверхности, а при перегрузках создаются критические зоны на узких местах. Их температура быстро достигает состояния, при котором металл плавится и разрывает электрическую цепь.
Для увеличения быстродействия пластины делают из тонкой фольги и применяют их в несколько слоев, включенных параллельно. Перегорание любого участка на одном из слоев ускоряет срабатывание защиты.
Принцип металлургического эффекта
Он основан на свойстве отдельных легкоплавких металлов, например, свинца или олова, растворять в своей структуре более тугоплавкие медь, серебро и отдельные сплавы.
Для этого на многожильные проволочки, из которых делают плавкую вставку, наносят капли олова. При допустимой температуре металла проводов эти добавки не создают никакого эффекта, но в аварийном режиме они быстро расплавляются, растворяют часть основного металла и обеспечивают ускорение срабатывания предохранителя.
Эффективность этого способа проявляется только на тонких проводниках и значительно снижается при увеличении их поперечного сечения.
Основной недостаток плавкой вставки состоит в том, что при срабатывании ее необходимо вручную заменять новой. Для этого требуется поддерживать их запас.
По форме предохранители могут быть:
Трубчатые;
Вилочные (они же флажковые);
Пробковые;
Ножевого типа.
Примечание:
Вилочные или флажковые предохранители чаще всего применяются в автомобильной проводке. Пробковые использовались (встречаются и по сей день) для защиты квартирной проводки и других цепей, устанавливались, например, на счетчике. Ножевые предохранители используются в силовых электрических шкафах (например, ЯВР, ЯРП, ШР).
рассчитаны на работу при определенном токе в пределах допустимой температуры. Также одноразовые, как и плавкие вставки.
Термопредохранители – это одноразовые защитные элементы, как и плавкие вставки. Они используются в цепях, где нужна не только защита от повышенного тока, но и от перегрева.
Например, они используются в современных бытовых обогревателях. На фотографии вы видите термопредохранитель в тепловентиляторе. Он перегорит в случае превышения допустимой температуре, например, при выходе из строя вентилятора чтобы спирали не перегрелись и не произошел пожар. Также они используются в фенах, утюгах и прочем.
Основные характеристики при выборе предохранителя – это его номинальный ток и температура, учитывайте оба этих фактора при покупке замены вышедшему из строя элемента.
Стоит отметить и то, что одноразовые термопредохранители часто устанавливают для защиты обмоток современных трансформаторов. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Если он расположен поверх обмотки – вы сможете его заменить и трансформатор прослужит еще, но, если он расположен в глубине обмотки – без навыков перемотки вам не удастся его заменить.
Но есть и многоразовые термопредохранители. В них под воздействием тепла размыкаются переключается контатная группа. Они бывают с нормально-замкнутыми (NC) и нормально-разомнкутымми (NO) контактами. Первые при нагревании размыкают цепь, а вторые наоборот – замыкают. После остывания контакты возвратятся в исходные положение.
Поэтому при покупке нового взамен вышедшему из строя обращайте внимание на тип контактов (NC или NO).
Электромеханическим предохранителем иногда называют автоматический выключатель (автомат). Его используют для защиты проводки, электродвигателей и других относительно мощных электроприборов.
При их работе специальный датчик постоянно контролирует величину проходящего тока. После достижения критического значения подается управляющий сигнал на исполнительный механизм – взведенную пружину от теплового или магнитного расцепителя.
Электронный предохранитель – строится на измерительной, управляющей цепи и силового транзистора, размыкающего цепь по достижении порогового тока. Самое распространенное устройство, которое работает таким образом – плата защиты литиевого аккумулятора.
У этих конструкций функцией защиты электрической схемы занимаются бесконтактные электронные ключи на основе силовых полупроводниковых приборов из диодов, транзисторов или тиристоров.
Их называют электронными предохранителями (ЭП) или модулями контроля и коммутации тока (МККТ).
В качестве примера на рисунке представлена структурная схема, показывающая принцип работы предохранителя на транзисторе.
Схема управления такого предохранителя снимает измеряемый сигнал о величине тока с резистивного шунта. Он модифицируется и подается на вход изолированного полупроводникового затвора полевого транзистора типа MOSFET.
Когда ток через предохранитель начинает превышать допустимое значение, то затвор запирается, а нагрузка отключается. При этом предохранитель переводится на режим самоблокировки.
Если в схеме электрооборудования используется много МККТ, то возникают трудности с определением сработавшего предохранителя. Для облегчения его поиска введена функция подачи сигнала «Авария», который может фиксироваться загоранием светодиода или срабатыванием твердотельного либо электромеханического реле.
Такие электронные предохранители отличаются быстродействием, их время срабатывания не превышает 30 миллисекунд.
Рассмотренная выше схема считается простой, она может быть значительно расширена новыми дополнительными функциями:
непрерывного контроля тока в цепи нагрузки с формированием команд на отключение при превышениях тока более 30% номинальной величины;
отключения защищаемого участка в случаях возникновения коротких замыканий или перегрузок с выдачей сигнала при увеличении тока в нагрузке выше 10% от установленной уставки;
защит силового элемента транзистора при возникновении температур более 100 градусов.
У таких схем используемые модули МККТ по времени срабатывания делятся на 4 группы. Самые быстродействующие устройства относят к классу «0». Они отключают превышающие уставку токи на 50% за время до 5 мс, на 300% — за 1,5 мс, на 400% — за 10мкс.
Самовосстанавливающиеся предохранители
Эти защитные устройства отличаются от плавких вставок тем, что после отключения аварийной нагрузки они сохраняют свою работоспособность для дальнейшего многократного использования. Поэтому их назвали самовосстанавливающимися.
За основу конструкции взяты полимерные материалы, обладающие положительным температурным коэффициентом для электрического сопротивления. Они обладают кристаллической структурой решетки при обычных, нормальных условиях и резко переходят в аморфное состояние при нагреве.
Характеристика срабатывания такого предохранителя обычно приводится в форме логарифма сопротивления в зависимости от температуры материала.
Когда полимер имеет кристаллическую решетку, то он хорошо, как металл, пропускает электрический ток. В аморфном состоянии проводимость значительно ухудшается, чем обеспечивается отключение нагрузки при возникновении ненормального режима.
Такие предохранители используются в защитных устройствах для ликвидации возникающих многократных перегрузок там, где замена плавкой вставки или ручные действия оператора затруднительны. Это сфера автоматических электронных устройств, широко используемых в компьютерных технологиях, мобильных гаджетах, измерительной и медицинской технике, транспортных средствах.
На надежную работу самовосстанавливающихся предохранителей оказывает влияние температура окружающей среды и величина протекающего сквозь него тока. Для их учета введены технические термины:
ток пропускания, определяемый как максимальное значение при температуре +23 градуса Цельсия, которое не приводит к срабатыванию устройства;
ток срабатывания, как минимальная величина, которая при той же температуре приводит к переходу полимера в аморфное состояние;
максимальное значение приложенного рабочего напряжения;
время срабатывания, измеряемое от момента возникновения аварийного тока до отключения нагрузки;
мощность рассеивания, определяющая способность предохранителя при +23 градусах передавать тепло в окружающую среду;
первоначальное сопротивление до подключения в работу;
сопротивление, достигаемое через 1 час после окончания срабатывания.
Самовосстанавливающиеся предохранители обладают:
небольшими габаритами;
быстрым срабатыванием;
стабильной работой;
комбинированной защитой устройств от превышений токов и перегрева;
отсутствием необходимости в обслуживании.
Самовосстанавливающиеся предохранители
Это устройство с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При возрастании тока через его сопротивление нелинейно возрастает. Сопротивление после срабатывания зависит от двух факторов, а именно, приложенного напряжения и рассеиваемой мощности.
R=U2/P
Ниже вы видите пример графика зависимости сопротивления от температуры.
Вместе с ростом сопротивления возрастает и температура прибора до уровня 80 градусов. Они состоят из смеси полимеров и углерода.
У них следующие технические характеристики:
Vmax — максимально допустимое напряжение.
Imax — это максимальный ток, который может протекать в цепи без разрушения самовосстанавливающегося предохранителя.
Ihold — номинальный ток.
Itrip — минимальный ток который может протекать через прибор, не приводя к его срабатыванию.
Самовосстанавливающиеся предохранители часто используют для защиты цифровой электроники, например, защиты портов USB, HDMI, реже в цепях питания портативных устройств с аккумуляторами.
Разновидности конструкций предохранителей
В зависимости от задач предохранители создают для работы в цепях:
промышленных установок;
бытовых электроприборов общего назначения.
Поскольку они работают в цепях разного напряжения, то корпуса изготавливают с отличительными диэлектрическими свойствами. По этому принципу предохранители подразделяют на конструкции, работающие:
с низковольтными устройствами;
в цепях до 1000 вольт включительно;
в схемах высоковольтного промышленного оборудования.
К специальным конструкциям относят предохранители:
взрывные;
пробивные;
с погашением дуги при размыкании цепи в узких каналах мелкозернистых наполнителей или образования автогазового либо жидкостного дутья;
для транспортных средств.
Ограничиваемый предохранителями аварийный ток может составлять от долей ампера до килоампера.
Иногда электрики вместо плавкой вставки в корпус устанавливают калиброванную проволоку. Этот способ не рекомендуется применять потому, что даже при точном подборе поперечного сечения электрическое сопротивление проволоки может отличаться от рекомендованного из-за свойств самого металла или сплава. Такой предохранитель не будет точно работать.
Еще большей ошибкой считается применение самодельных «жучков» наудачу. Они чаще всего бывают причиной несчастий и пожаров, возникающих в электропроводке.
SMD (чип) предохранители получили название от способа монтирования на поверхность печатной платы, где SMD (Surface-Mount Device) означает прибор поверхностного монтажа. Используются в цепях постоянного тока для защиты от перегрузки по току с напряжением до 125В и силой тока до 100А.
SMD предохранители делятся на плавкие и самовосстанавливающиеся.
Полимерная кристаллическая структура самовосстанавливающегося предохранителя дает возможность восстанавливать первоначальные токопроводящие характеристики по окончании воздействия побудителя. Плавкий SMD предохранитель после срабатывания необходимо заменить.
Основные параметры предохранителей поверхностного монтажа (номинальный ток, номинальное сопротивление, рассеиваемая мощность и время срабатывания) зависят от изменений температуры рабочей среды. Быстродействующие плавкие SMD предохранители применяются в компьютерных технологиях, телефонии, цифровых видеокамерах, LCD-дисплеях и другом электрооборудовании.
Самовосстанавливающиеся SMD предохранители нашли применение в компьютерной и автомобильной электронике, телекоммуникациях, сигнализационной и измерительной аппаратуре, спутниковом телевидении и другом электронном оборудовании. Детальные характеристики и основные параметры SMD предохранителей приведены в таблицах. Расшифровка маркировки, размеры, рекомендации монтажа и пайки приведены ниже. Гарантия работы поставляемых нашим предприятием SMD предохранителей составляет 2 года. Это подкрепляется надлежащими документами по качеству. Окончательная цена на конкретный SMD предохранитель зависит от количества, сроков поставки, производителя, страны происхождения и формы оплаты.
Важнейшие параметры
IH – Максимальный ток, не приводящий к срабатыванию - максимальный ток, который может проводить через себя самовосстанавливающийся предохранитель без срабатывания.
IT – Минимальный ток срабатывания - минимальный ток через самовосстанавливающийся предохранитель, при котором происходит переход от проводящего состояния к непроводящему.
UMAX – Максимальное рабочее напряжение - максимальное напряжение, которое способен выдержать без разрушения самовосстанавливающийся предохранитель при протекании через него номинального тока.
IMAX – Максимально допустимый ток - максимальный ток короткого замыкания, который выдерживает самовосстанавливающийся предохранитель без разрушения при номинальном напряжении.
PD MAX – Максимальная мощность, рассеиваемая предохранителем - максимальная мощность, рассеиваемая предохранителем, после перехода от проводящего состояния к непроводящему.
RMIN – Минимальное сопротивление - минимальное сопротивление самовосстанавливающегося предохранителя в рабочем, проводящем состоянии.
R1 MAX – Максимальное сопротивление - максимальное сопротивление самовосстанавливающегося предохранителя спустя 1 час после последнего срабатывания.
Скорость срабатывания – время перехода от проводящего состояния к непроводящему при указаном токе. IH, IT, PD MAX и скорость срабатывания зависят от температуры окружающей среды и представлены для t = 23°C.
Маркировка самовосстанавливающихся SMD предохранителей:
SMD – Серия самовосстанавливающегося предохранителя: "Surface-Mount Device" - для поверхностного монтажа.
2920 – Форм-фактор (габариты) корпуса: 0805 - 2,0×1,2 мм; 1206 - 3,2×1,6 мм, 1812 - 4,5×3,2 мм, 2920 - 7,5×5,5 мм.
185 – Номинальный ток, указан в hA.
| SMD | - | 1206 | FT | - | 500 |
| SMD | – | Серия плавкого предохранителя: "Surface-Mount Device" - для поверхностного монтажа. |
| 1206 | – | Форм-фактор (габариты) корпуса: 0603 - 1,6×0,8 мм; 1206 - 3,2×1,6 мм. |
| FT | – | Скорость срабатывания: "Fast Trip" - быстродействующий. |
| 500 | – | Номинальный ток, указан в hA. |
| 2N | - | 100 | L |
| 2N | – | Серия плавкого предохранителя. |
| 100 | – | Номинальный ток: для 2N-0100L - 2N-0800L указан в hA, для 2N-010L - 2N-100L указан в daA. |
| L | – | Модификация предохранителя: позолоченные токовводы. |
Исследование, описанное в статье про предохранитель, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое предохранитель и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база