Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Предохранители

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Предохранители

Обычно ещё при проектировании электрических схем исключается ситуация, когда происходит превышение допустимой токовой нагрузки. Но иногда превышение является возможным, ожидаемым фактором: в таких случаях безопасность цепи обеспечивают предохранители.

Что такое предохранитель?

Предохранитель – это электрическое защитное устройство, в общем случае это короткий участок провода, который в случае превышения допустимого тока плавится/обрывается в результате чего происходит размыкание цепи. Плавкие предохранители всегда соединены последовательно с элементом(-ами), если необходима защита от токовых перегрузок. В аварийной ситуации предохранитель перегорает, сеть размыкается, ток в цепи больше не проходит через элемент(-ы). Плавкий предохранитель, включённый в одну ветвь параллельной цепи, конечно же, остановит ток только в своей ветке и не повлияет на ток в других ответвлениях.

Обычно тонкий кусок плавкой проволоки помещается в защитную оболочку, что сводит к минимуму опасность дугового разряда при сильном прорыве, как это может случиться в цепях со сверхтоками. В небольших автомобильных предохранителях оболочка прозрачная, что позволяет на глазок оценить работоспособность элемента. В бытовой электропроводке обычно используются резьбовые предохранители со стеклянным корпусом и тонкой узкой полосой из металлической фольги внутри. Фотография, показывающая оба типа предохранителей:

Рис. 1. Два наиболее часто используемых типа предохранителя – стеклянный и резьбовый. Ручка для сравнения.

Есть ещё катриджные (кассетные) предохранители, часто используются в автомобилях и в промышленности, в качестве оболочки используется не стекло, а другие материалы. Поскольку предохранители предназначены для размыкания при отказе в случае превышения номинального тока, подразумевается возможность их лёгкой замены в цепи. Это значит, что они должны быть не припаяны и даже каким-то образом не вкручены, а лучше если они быстро вставляются в специальный держатель (и также быстро изымаются из него). На следующей фотографии изображена пара стеклянных предохранителей, подключаемых к цепи через держатель, рассчитанный на 8 предохранителей:

Рис. 2. Вставка стеклянных предохранителей в держатель (мульти-предохранитель).

Предохранители удерживаются пружинными металлическими зажимами, сами зажимы постоянно подсоединены к цепи. Основной корпус держателя (его ещё называют блоком предохранителей) делается из надёжного диэлектрика.

Есть ещё предохранители с держателем кассетного типа. Такие обычно используется для установки в панелях управления оборудованием, где желательно сделать недоступными для людей точки электрических контактов. В отличие блока предохранителей, где все металлические зажимы в открытом доступе, этот тип держателя предохранителя полностью закрывает предохранитель в изолирующем корпусе:

Рис. 3. Кассетный держатель с помощью изолирующего корпуса исключает возможность контакта человека с точками подсоединения предохранителя к цепи.

Наиболее распространённым устройством защиты от сверхтоков в сильноточных цепях сегодня является автоматический выключатель.

Что такое автоматический выключатель?

Автоматические выключатели – это специально разработанные переключатели, которые автоматически размыкаются для отключения тока в случае перегрузок. Малые автоматические выключатели используются в жилых домах, офисах и небольших промышленных предприятиях. Система управления в таких предохранителях основана на термическом принципе работы. Они содержат тонкую биметаллическую (то есть, состоящую из двух металлов, соединенных друг с другом) полоску, по которой проходит ток. Эта полоска изгибается при нагревании. Когда биметаллическая полоса испытывает определённое механическое напряжение (вследствие чрезмерного нагрева), срабатывает механизм отключения, прерыватель размыкается. Автоматические выключатели большего размера активируются за счёт магнитного поля, создаваемое токонесущими проводниками внутри выключателя. Или же срабатывают под воздействием внешних устройств, контролирующих ток в цепи (подобные устройства называются защитными реле).

Автоматические выключатели не выходят из строя в условиях токовых перегрузок – они просто размыкаются и могут быть повторно включены путем перемещения рычага. Выключенное состояние быстро обнаруживается визуально, что делает автоматические выключатели более удобными и надёжными, чем одноразовые предохранители. Вот ​​фотография малого автоматического выключателя:

Рис. 4. Малый автоматический выключатель.

На первый взгляд это просто обычный переключатель (и, действительно, именно в таком качестве его тоже можно использовать). Однако его настоящее предназначение – срабатывать как средство защиты от токовых перегрузок.

Следует отметить, что в некоторых автомобилях используются устройства, известные как плавкие вставки, для защиты от токовых перегрузок в цепи зарядки аккумулятора. Это гораздо дешевле, чем использовать предохранитель и держатель под него соответствующего номинала. Плавкая вставка – это примитивный предохранитель, просто короткий кусок провода с резиновой изоляцией, который плавится в случае токовой перегрузки, при этом какой-либо изолирующий корпус отсутствует. Такие грубые и потенциально опасные устройства никогда не используются в промышленности или даже в жилых помещениях, так как в этих случаях гораздо более высокие уровни напряжения и тока. По мнению автора, их применение даже в автомобильных цепях – крайне сомнительный подход.

На электрических схемах предохранители обозначаются в виде S-образную кривой:

Рис. 5. S-образная кривая на схеме обозначает предохранитель.

Номиналы предохранителей

Предохранители, в основном, рассчитаны на определённые силы тока: т.е. их номиналы измеряются в амперах. Их работа зависит от самовыделения тепла в случае чрезмерной силы тока за счёт собственного электрического сопротивления. Тем не менее они спроектированы так, чтобы вносить незначительное дополнительное сопротивление в цепи, которые они защищают. Это достигается за счёт того, что плавкий провод делается как можно короче. Допустимая токовая нагрузка обычного провода не связана с его длиной (сплошной медный провод 10 калибра выдерживает силу тока в 40 ампер на открытом воздухе, независимо от того, длинный отрезок или короткий), поэтому плавкий провод из определённого материала и соответствующего калибра будет плавиться при определённом токе независимо от того, какая длина у проволоки. Поскольку длина не является определяющим фактором, чем короче будет предохранительный отрезок, тем меньшее дополнительное сопротивление принесёт предохранитель в цепь.

Однако также до́лжно учитывать, что происходит после сгорания предохранителя: оплавленные концы некогда сплошного провода будут разделены воздушным зазором с полным напряжением питания между концами. Если предохранитель недостаточно длинный в цепи высокого напряжения, искра может перескочить с одного конца расплавленного провода на другой, в результате чего цепь снова замкнётся:

Рис. 6. Принципиальная схема с предохранителем.

Рис. 7. Принципиальная схема с предохранителем недостаточной длины.

Следовательно, предохранители рассчитываются с учётом их допустимого напряжения, а также уровня тока, при котором они сработают.

Некоторые большие промышленные предохранители имеют сменные элементы проводов для снижения затрат. Корпус такого предохранителя – непрозрачный картридж многоразового использования, который защищает как сам провод предохранителя от внешних воздействий, так и окружающие предметы от самого провода, который может заискрить или воспламениться.

Текущий номинал предохранителя – это нечто большее, чем просто цифра. Если через предохранитель, рассчитанный на 30 ампер, проходит ток силой в 35 ампер, предохранитель может сработать как сразу, так и с некоторой задержкой, в зависимости от того, как он сконструирован. Некоторые предохранители предназначены для очень быстрого срабатывания, в то время как другие рассчитаны на замедленную реакцию, в зависимости от области применения. «Замедленные» предохранители иногда называют инерционные предохранители, из-за того, что в их характеристики специально заложено время некоторой задержки.

Классическим примером применения плавких предохранителей с задержкой срабатывания является защита электродвигателей, при которой пусковые токи, в десять раз превышающие нормальный рабочий ток, обычно возникают каждый раз, когда двигатель только-только запускается. Если бы в этом случае использовались быстродействующие предохранители, двигатель вообще никогда бы не запустился, потому что при нормальных уровнях пускового тока плавкий предохранитель всё время немедленно перегорал бы! Конструкция плавкого предохранителя такова, что элемент плавкого предохранителя имеет бо́льшую массу (но не бо́льшую допустимую токовую нагрузку), чем эквивалентный быстродействующий плавкий предохранитель, что означает, что он будет нагреваться медленнее (но до той же конечной температуры) для любого заданного количества тока.

На другом конце спектра действия предохранителей находятся так называемые полупроводниковые предохранители, предназначенные для крайне быстрого размыкания в случае токовой перегрузки. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, как правило, особенно нетерпимы к токовым перегрузкам и требуют мгновенной защиты от сверхтоков.

В заземлённых системах всегда предполагается размещение предохранителей на «горячей» стороне нагрузки (то есть, на участке цепи, откуда из источника питания начинает течь ток, пока ещё не достигший участка с нагрузкой. По-русски этот участок цепи принято называть фазой. Провод, из которого ток от нагрузки возвращается к источнику напряжения, по-русски принято называть нулём). Это сделано для того, чтобы нагрузка была гарантированно полностью обесточена после срабатывания предохранителя. Чтобы увидеть разницу между размещением предохранителя на «горячей» (фазе) и «нейтральной» (нуле) стороне по отношению к нагрузке, внимательно сравните эти две схемы:

Рис. 8. Предохранитель установлен на «горячей» стороне (фазе) по отношению к нагрузке. В случае заземления человеку, имеющему контакт с разомкнутой цепью, ничего не угрожает.

Рис. 9. Предохранитель установлен на «нейтральной» стороне (нуле) по отношению к нагрузке. В случае заземления человек, имеющий контакт с разомкнутой цепью, будет поражён электрическим током.

В обоих случаях предохранитель успешно прервал ток, идущий через нагрузку, но на нижней схеме потенциально опасное напряжение с любой стороны нагрузки в случае заземления не прервано, что может быть фатально для человека, имеющего контакт с цепью. Верхняя схема гораздо безопаснее.

Как уже упоминалось, предохранители – не единственный способ защиты от сверхтоков. Чаще для размыкания цепей с чрезмерным током используются переключатели, называемые автоматическими выключателями. Их популярность обусловлена тем, что они не саморазрушаются в процессе размыкания цепи, в отличие от предохранителей. Тем не менее, в любом случае размещение устройства защиты от сверхтоков в цепи должно соответствовать тому же принципу, разобранному в предыдущем абзаце: «предохранять» нужно в той стороне от источника питания, где нет заземления.

В принципе, защита от перегрузок в некоторой степени снижает опасность того, что кого-то ударит током. Тем не менее следует максимально чётко и предельно ясно понимать, что подобные предохранительные устройства изначально не предназначены для защиты людей от поражения электрическим током. Ни предохранители, ни автоматические выключатели НЕ отключаются в случае поражения электрическим током; скорее, они предназначены чтобы сработать в случае потенциального перегрева провода. Устройства, регулирующие максимальный ток, в первую очередь защищают проводники в цепи от повреждений из-за перегрева (и опасности возгорания, связанной с чрезмерно горячими проводами). Во-вторых, предохранители защищают определённые части оборудования, такие как нагрузки и генераторы (некоторые быстродействующие предохранители предназначены для защиты особенно чувствительных электронных устройств к скачкам силы тока). Поскольку уровень силы тока, необходимого для поражения электрическим током, намного ниже, чем нормальные токовые уровни обычных силовых нагрузок, состояние токовой перегрузки обычно не возникает, если поразило человека. Существуют и другие устройства, предназначенные для обнаружения определённых признаков удара током (наиболее популярны детекторы заземления), но подобные устройства служат именно для этой единственной цели (защитить людей) и не связаны с защитой проводов от перегрева.

Итог

• Предохранитель – это короткий, тонкий участок провода, который в случае чрезмерного тока плавится и размыкает электрическую цепь.
• Автоматический выключатель – это специально сконструированный переключатель, который автоматически срабатывает, прерывая ток в цепи в случае токовой перегрузки. Подобные устройства могут «отключаться» (размыкаться) в результате термического воздействия (перегрева), под влиянием магнитного поля или в результате воздействия внешних устройств, называемых «защитными реле» (в общем, принцип действия зависит от особенностей конструкции, размера самого устройства и сферы применения).
• Предохранители в первую очередь рассчитываются с точки зрения максимально допустимой силы тока, но также оцениваются с точки зрения того, какое падение напряжения они смогут безопасно выдерживать после прерывания цепи.
• Предохранители могут быть сконструированы так, чтобы срабатывать быстро, медленно или где-то посередине (не слишком быстро, не слишком медленно) при одинаковом максимально допустимом уровне тока.
• Лучшее место для установки предохранителя в заземлённой электросети – на участке между незаземлённым проводником и нагрузкой. Таким образом, при сгорании предохранителя, к нагрузке будет подсоединён только заземленный (безопасный) провод, что значительно уменьшит опасность для жизни и здоровья людей, оказавшихся поблизости.