3.2 Плавкие предохранители (Fuses)

Идея плавкого предохранителя впервые была запатентована Томасом Эдисоном еще в 1880 г. Плавкие предохранители полностью прекращают протекание тока в цепи при их срабатывании, что особенно важно для изделий, чувствительных к повышенным токам, а также для дорогостоящих или критических применений.

Рассмотрим терминологию, принятую для плавких предохранителей.

• Fuse — плавкий предохранитель, защищающий от чрезмерных токов и содержащий элемент (link), разрывающий электрическую цепь при превышении номинального тока.
• Ampere (Current) Rating In — номинальный ток, выдерживаемый предохранителем продолжительное время без его перегрева или плавления, а также без износа или повреждений при заданных в спецификации условиях. Когда предохранитель находится под воздействием тока, превышающего номинальное значение, он размыкает цепь через предопределенный период времени. Значение номинального тока маркируется на предохранителе при его размере, позволяющем маркировку.
• Ambient Temperature — температура окружающего воздуха в месте расположения предохранителя. Необходимо не путать ее с комнатной температурой (Room Temperature), и она в большинстве случаев существенно выше, так как предохранитель может находиться в держателе (Fuseholder), установленном в панели изделия, или смонтирован около тепловыделяющих компонентов, таких как сопротивления, трансформаторы, источники питания и т. д.
• Arcing — искрение, дуговой разряд.
• Arcing Time — время (продолжительность) возникновения искрения с момента, когда элемент предохранителя расплавился до прекращения или устранения повышенного тока.
• Breaking Capacity (Interrupting Rating, IR Ability или Short Circuit Rating) — максимальный ток, который может быть безопасно прекращен предохранителем при его номинальном напряжении или любом напряжении ниже его. Этот параметр в несколько раз превышает номинальный ток предохранителя и он должен быть выше, чем потенциальный ток при возникновении короткого замыкания в цепи, обеспечивая его способность разорвать электрическую цепь и защитить изделие при неисправностях, вызывающих короткие замыкания, оставаясь при этом неповрежденным (без разрушения корпуса предохранителя).
• Derating — снижение способности предохранителя выдерживать номинальный ток из-за воздействия внешних факторов, например при повышенной температуре окружающей среды. Как правило, для нормального функционирования предохранителя рекомендуется, чтобы протекающий через него ток не превышал 75 % от номинального значения при окружающей температуре +25 °C.
• Interrupting Rating — см. Breaking Capacity
• Link — элемент предохранителя в виде калиброванного проводника, подлежащего плавлению при воздействии чрезмерного тока, превышающего его номинальное значение.
  Melting Time — время, требуемое для расплавления элемента предохранителя при установленном превышенном токе (см. Arcing Time и Clearing Time).
• Clearing Time (Operating Time) — полное время от появления повышенного тока до окончательного разрыва электрической цепи предохранителем при номинальном напряжении. Это время является суммарной продолжительностью плавления и искрения (Melting Time и Arcing Time). Clearing Time = Melting Time + Arcing Time
• Voltage Rating — номинальное напряжение. Предохранители могут использоваться в любой схеме, где напряжение разомкнутой цепи не превышает номинального напряжения предохранителя при условии, что максимальная величина допустимого тока короткого замыкания цепи ниже его Interrupting Rating. Превышение номинального напряжения предохранителя ослабляет его способность безопасно обеспечить защиту от повышенного тока или тока короткого замыкания. Предохранитель может быть использован при любом напряжении ниже его номинального значения. То есть предохранитель 250 В может быть успешно применен и в схеме с напряжением 125 В.
• Voltage Drop (Hot Resistance) — падение напряжения на плавком элементе предохранителя при номинальном токе и окружающей температуре +23 °С. Этот параметр должен быть обязательно принят во внимание для защиты схем с низким рабочим напряжением, особенно в сочетании с низким номинальным током предохранителя, а следовательно, и с более высоким сопротивлением.
• Hot Resistance — сопротивление, рассчитанное из устойчивого падения напряжения при токе, равном его номинальному значению предохранителя.
• Overcurrent — состояние электрической цепи, при которой номинальный ток превышен. Это случается в двух различных ситуациях: при токе, превышающем ток полной нагрузки (Overload), и при коротком замыкании (Short Circuit).
• Overload — повышенный ток, превышающий номинальный ток электрической цепи при ее полной нагрузке.
• Fusing Factor — соотношение, равное или, как правило, превышающее 100 % между минимальным током срабатывания предохранителя к его номинальному току.
• Ampere Squared Seconds, I²t — данный параметр определяет величину тепловой энергии, возникающей в цепи во время срабатывания предохранителя. Определяется как I²t, т. е. произведением квадрата тока (RMS) I² на время t, требуемое для срабатывания, — время разрыва электрической цепи в секундах. Этот параметр может быть выражен суммой I²t плавления (melting) и I²t искрения (arcing).
• Cold Resistance (mΩ) — сопротивление предохранителя, измеренное при окружающей температуре +25 °C и токе величиной 10 % от его номинального значения.
• Dual-Element Fuse — предохранители с двойным элементом (один для защиты от перегрузок, а другой — от коротких замыканий), используемые при требованиях задержки во времени срабатывания и обеспечивающие как защиту от коротких замыканий, так и надежную защиту от повышенных токов при перегрузках в схемах, допускающих временные перегрузки и кратковременные импульсы.
• Fuse Characteristics (Time-Current Characteristics) — эти характеристики относятся к тому, насколько быстро предохранитель реагирует на различные превышения тока и тем самым определяет его быстродействие. Все предохранители имеют обратную зависимость, поэтому требуемое время для разрыва цепи уменьшается при увеличении тока. Существуют три основные категории для зависимости Time-Current, т. е. времени срабатывания предохранителя в зависимости от тока:
  • Very Fast Acting — чересчур быстродействующие.
  • Fast Acting — быстродействующие.
  • Time Delay, Тime Lag или Slow-Blow — с замедленной реакцией.
• Very Fast Acting и Fast Acting Fuse — предохранители, быстро разрывающие цепь при повышенном токе или коротком замыкании. Такие предохранители используются для оборудования, наиболее чувствительного к превышению тока и, соответственно, излишнему нагреву, например для защиты полупроводниковых схем. Они не предназначены выдерживать сравнительно кратковременные превышения тока, связанные с некоторыми типами электрических нагрузок.
• Time Delay Fuse — предохранитель со встроенной задержкой, допускающий кратковременные безопасные превышения тока (Inrush Currents) без срабатывания, но предназначенный для защиты от длительных перегрузок и коротких замыканий. Данный тип предохранителя предназначен, как правило, для защиты схем, связанных с двигателями, требующими при их включении повышенных токов в течение нескольких секунд, вентиляторами и емкостными нагрузками. При этом не должны происходить ложные срабатывания или повреждения элемента предохранителя.

Характеристики «время — ток» обычно представляются графически кривыми (рис. 3.1), а иногда дополнительно и таблицами для нескольких значений, превышающих номинальный ток предохранителя. Кривые «время — ток» указывают на статистически усредненные значения времени срабатывания предохранителя в диапазоне предполагаемых токов при заданных условиях. Они приводятся лишь в качестве рекомендации разработчикам и не должны рассматриваться как однозначно установленные параметры в спецификации предохранителя.

Среднее время срабатывания предохранителя в зависимости от тока может быть определено из кривой (рис. 3.1). Например, для предохранителя с номинальным током 2 А видно, что при повышенном токе 5 А предохранитель сработает примерно в течение 10 с, а при токе 10 А — в течение 0.1 с.

Рис. 3.1

ПРИМЕРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Cartridge Fuse — предохранитель, состоящий из чувствительного к току плавкого элемента, помещенного внутри трубчатого невоспламеняемого корпуса с металлическими выводами с обеих сторон. Внутри корпуса элемент окружен наполнителем, для которого обычно используется песок, карбонат кальция или кварц. При срабатывании предохранителя из-за перегрузки по току плавкий элемент расплавляется с последующим испарением. Наполнитель абсорбирует значительное количество энергии, быстро охлаждает температуру расплавленного элемента и тем самым предотвращает возникновение электрической дуги, способствуя резкому прерыванию тока короткого замыкания и предохраняя от пожарной опасности. Предохранитель в керамическом корпусе с наполнителем обладает максимальным параметром Breaking Capacity (кА).

Материал для плавкого элемента предохранителя должен обладать следующими качествами:

• низкой температурой плавления;
• низким удельным сопротивлением;
• умеренной ценой.

Такие металлы, как олово (Sn), цинк (Zn), медь (Cu) и серебро (Ag), обладают указанными качествами и широко используются при изготовлении плавких предохранителей. Так, в плавком элементе большинства низковольтных предохранителей используется медь. В плавком элементе предохранителей с замедленной реакцией, как правило, используются материалы с низкой точкой плавления, например олово, цинк или их сплавы, обеспечивающие стабильные и предсказуемые характеристики. Хотя серебро имеет высокую цену, но используется в тех случаях, когда цена не является определяющим критерием для определенного применения. Кроме того, серебро широко применяется в быстродействующих и высоковольтных предохранителях.

ЗАЩИТА ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА

Переменный ток (AC) изменяет свое направление несколько раз за секунду (100 раз в секунду при частоте тока 50 Гц), и при каждом изменении его величина приближается к нулевому значению, при котором прерывание тока осуществляется сравнительно легко, так как отсутствуют факторы, способствующие возникновению электрической дуги в плавком элементе предохранителя.

При постоянном токе (DC) его прерывание предохранителем происходит в усложненных условиях, связанных с более высокими токами и необходимостью погасить возникающую электрическую дугу. Различия в условиях прерывания тока для схем AC и DC наглядно представлены диаграммами (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Предохранители для постоянного тока в основном используются в электронике (включая и их применение в автомобилях); они относительно сложнее, так как содержат несколько внутренних элементов, функционирующих совместно. Существуют предохранители с одинаковым номинальным значением напряжения для переменного и постоянного тока. Однако в большинстве случаев для постоянного тока значение допустимого напряжения значительно ниже, чем для переменного. Если предохранитель специфицирован только с напряжением переменного тока, это означает, что он не разработан для DC-применения и, следовательно, не тестирован для функционирования в условиях постоянного тока. По аналогичным причинам параметр максимального тока, который может быть безопасно прекращен предохранителем (Breaking Capacity / Interrupting Rating), для постоянного тока существенно ниже. Так, наиболее распространенные промышленные предохранители для переменного тока, выпускаемые в соответствии с международным стандартом IEC 60269-2, имеют минимальное значение 50 кА, а аналогичные предохранители для постоянного тока — минимальное значение 25 кА. Если предохранитель не имеет маркировки постоянного тока (DC), это означает, что параметры предохранителя относятся только к условиям переменного тока (AC).

СТАНДАРТЫ

Кроме специфических национальных стандартов в разных странах, предохранители, выпускаемые большинством изготовителей, соответствуют установленным международным стандартам двух организаций — IEC (International Electrotechnical Commission) and UL (Underwriter Laboratories).

Стандартами IEC руководствуются многие страны Европы и Азии, а стандартами UL — в основном США, Канада и страны Южной Америки. Для наиболее распространенных в электронике миниатюрных предохранителей существуют следующие стандарты:

• IEC 60127
• UL 248-1

Оба указанных стандарта используют различный подход к определению и измерению критериев, поэтому классифицируемые по этим стандартам предохранители не являются между собой полностью взаимозаменяемыми. Стандарт IEC включает в понятие предохранителя как плавкий элемент, так и его корпус/держатель, а стандарт UL — лишь плавкий элемент.

Рис. 3.3

Для конверсии параметра номинального тока предохранителя по стандарту UL к соответствующему параметру, предусмотренному стандартом IEC, можно воспользоваться приведенным ниже графиком их соотношения для номинального тока плавкого элемента (рис. 3.3). Из графика видно, что UL номинальный ток превышает IEC аналогичный параметр приблизительно в 1.4 раза. Таким образом, предохранитель, определенный стандартом IEC с номинальным током 1.0 А, может иметь характеристики, аналогичные предохранителю UL с номинальным током 1.4 А.

При выборе предохранителя для установки в изделия, экспортируемые в другие страны, необходимо тщательно проверять их соответствие требованиям стандартов той или иной страны.

Правильный выбор предохранителя при разработке электронного изделия требует учета и тщательного рассмотрения следующих факторов:

• номинального тока;
• требуемого напряжения (AC или DC);
• максимально возможного тока при неисправности (коротком замыкании);
• чрезмерного тока и времени, требуемого для срабатывания предохранителя;
• наличия пускового тока, возможных кратковременных импульсов и всплесков тока;
• максимального падения напряжения на предохранителе;
• температуры окружающей среды;
• способа монтажа (на печатной плате, в держателе на панели, установка в зажимах);
• необходимости в легком доступе к предохранителю и его замене;
• соответствие национальным и международным стандартам.

Ниже в таблице 3.1 приводятся рекомендации для правильного выбора предохранителя в зависимости от схемы и требований к ее защите.

Табл. 3.1

SMT FUSES

TELECOM FUSES

CARTRIDGE FUSES

Стандартные размеры (D × L):

• 4.5 × 14.5 мм
• 5 × 20 мм
• 6.3 × 32 мм
• 10.3 × 38 мм
• 14 × 50 мм

AXIAL PCB FUSES

RADIAL PCB FUSE

8.5 х 8.0 мм (D x H)

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ С НОЖЕВЫМИ ВЫВОДАМИ
Fuses with Blade Terminals (Automotive)

Ножевые предохранители были разработаны в 1970-х годах для использования в автомобилях и популярны в применениях с низкими напряжениями DC (32, 58, 80 и 125 В), но с большими токами от 0.5 до 100 А. Ножевые медные выводы и отдельный расплавляющийся провод обеспечивают низкое сопротивление предохранителя. Его форма с разноцветными пластмассовыми корпусами и двумя выводами в виде вилки напоминает штепсель, вставляемый в розетку. Наибольшее распространение среди автомобильных предохранителей получили предохранители с быстрым срабатыванием (Fast Acting Type).

Существуют три основных размера таких предохранителей (малый, средний и большой) со следующими приблизительными размерами в мм (L × H × W — длина, высота и толщина корпуса):

• 11 × 8.5 × 3.8;
• 19 × 11 × 5.0;
• 29 × 22 × 9.

Ножевые предохранители используют стандартную классификацию номинального тока по цвету корпуса (см. прилагаемую ниже табл. 3.2).

Табл. 3.2

ДЕРЖАТЕЛИ (ПАТРОНЫ) И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ ДЛЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
Fuseholders and accessories