Чому запобіжники горять при певному струмі?

Зазвичай ми вказуємо максимальний струм, яким може провести провідник (наприклад, запобіжник), не горячи. Але хіба провідник насправді не спрацьовує, коли певна кількість енергії / тепла розсіюється в провіднику? Тоді провідник знаходиться при занадто високій температурі і горить / плавиться.

Скажімо, у мене є запобіжник, розрахований на 10А. Чому саме тоді я можу безперервно керувати запобіжником при меншому струмі, як 9A, і без запобіжника також горіти, але трохи пізніше?

Ми також знаємо, що сила, напруга і струм пов'язані законом Ома. Отже, якщо у нас є запобіжник 10А, і він має деякий довільний опір, такий як 100 Ом, то чому б ми не назвали його запобіжником 1 кВ (10А * 100 Ом) або запобіжником 10 кВт (10А * 10А * 100 Ом)? Ці цифри є абсолютно довільними, тому я знаю, що вони не відображають реальність, але вони чітко пояснюють мою думку.

Отже, якщо у нас є запобіжник 10А, і він має деякий довільний опір, такий як 100 Ом, ...

Цей типовий запобіжник на 10 А має опір 5 мОм. Тож ваші здогадки вийшли на коефіцієнт приблизно 20 000. При 10 А потужність, що розсіюється, задається $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

ПІДТРИМКА: Опір запобіжника зазвичай є незначною частиною загального опору ланцюга. Оскільки опір дробових запобіжників струму може становити кілька Ом, цей факт слід враховувати при використанні їх у ланцюгах низької напруги. Фактичні значення можна отримати, звернувшись до Littelfuse. Джерело: Керівництво по застосуванню Littlefuse Fuseology (яке варто прочитати).

Причиною більш високого опору в дробових амперних запобіжниках є те, що плавкий запобіжник приблизно такої ж довжини, що і у версії 10 А, але він повинен бути набагато тоншим, щоб дути, наприклад, 100 мА. Запобіжник на 100 мА може захищати ланцюг, який зазвичай малює, наприклад, 50 мА. Якщо опір запобіжника становив 1 Ом, то в процесі експлуатації через нього буде падати 50 мВ.

Необхідний діаметр запобіжника може бути розрахований із

... чому б ми не назвали його запобіжником 1 кВ (10 А * 100 Ом) або запобіжником 10 кВт (10 А * 10 А * 100 Ом)?

Тому що це пристрій захисту від надмірного струму . У запобіжників вже є напруга, що означає щось зовсім інше. Дивіться нижче.

Запобіжник потребує декількох оцінок:

• Струм (який я вважаю досить очевидним).
• Номінальна напруга запобіжника. Це визначає максимальну напругу, яку вона може надійно зламати, не формуючи і не підтримуючи внутрішню дугу.
• Рейтинг часу - як швидко він буде дути.

Стаття Littlefuse висвітлює все це дуже докладно, тому немає необхідності відтворювати це тут.

1. Провідник виходить з ладу, коли він досягає певної температури. Оскільки запобіжник перебуває в тепловому контакті з навколишнім середовищем, він може розвіяти певну кількість енергії до того, як він подує.
2. Ваш запобіжник 10А розрахований на удар при 10А (плюс або мінус деякий допуск). Отже, він повинен працювати у 9A цілий день.
   • Але цей плавкий запобіжник на 10А буде тривати довгий час, коли він буде дути набагато швидше, і він буде дути набагато швидше при 20А, і може погано поводитись, якщо проткнути 100А через нього. Існує ціла, здебільшого занедбана наука до запобіжників.
   • І якщо ви будете запускати цей 10А запобіжник у 9A або 9.8A весь день, він буде гарячим і повільно погіршиться.
   • Це все означає, що якщо вам дійсно важливо, як швидко дме або скільки триває, вам потрібно поговорити з виробником запобіжників.
3. Запобіжники класифікуються в амперах, тому що це турбує більшість людей, що встановлюють запобіжники. Ідеальний запобіжник 10А не падає напруги і не дме, не погіршує навіть наноампа нижче 10А, але дме відразу (або через чітко визначений час) вище цього. Не існує ідеальних запобіжників.
4. Поки ви розмірковуєте над усім цим, ви, можливо, захочете викопати кілька даних із запобіжниками та подивитися . Хороші компанії (Bussman, Littlefuse та ін.) Це уточнюють - і є такі речі, як повільнодувні запобіжники, призначені для тимчасового перевантаження, і запобіжники швидкого видуву, які призначені для швидшого реагування, ніж "звичайні" запобіжники. Якщо спосіб запобіжника повинен реагувати нестандартним і критичним, він може стати цілком інженерним завданням для його розробки.

Зазвичай запобіжник не знає, для якого ланцюга напруги він використовується - він знає лише струм, який проходить через нього, так що це єдине, що може спричинити його удар.

Запобіжники також мають напругу, тому що, коли запобіжник продуває, він буде мати повну напругу по всьому ланцюгу, тому він повинен бути розроблений для безпечного поводження з цією напругою без дуги.

Запитайте себе: яка мета запобіжника?

1. Обмежте напругу через запобіжник? Ні. Це безглуздо.
2. Обмежте потужність, яку запобіжник внутрішньо розсіюється? Ні. Це також безглуздо.
3. Обмежити струм, що проходить через запобіжник? Дивно, але ні! Завдання запобіжника - не захищати себе ні від чого. Завдання запобіжника - захист вантажу. Тож припустимо, що ви дбаєте про струм у навантаженні, тоді ви б хвилювались лише про струм, на який плавкий запобіжник, як вторинну проблему, оскільки навантаження та струми запобіжників однакові
4. Обмежте напругу в навантаженні? Можливо, так, але є такі запобіжні запобіжники, про які я розповім нижче.
5. Обмежити потужність у вантажі? Можливо, так, але є такі запобіжні запобіжники, про які я розповім нижче.
6. Обмежити струм в навантаженні? Так! Кінцева мета запобіжника - захист від навантаження. Я обговорю, чому струм є більш дійсним, ніж напруга або потужність в №4 або №5

Навантаження - король. Запобіжник не призначений для видування тільки заради себе. Запобіжник призначений для захисту навантаження. Вам не вистачає лісу для дерев, якщо все, на що ви зосереджені, - це коли палить запобіжник. Зрештою, мені байдуже ВСЕ, яка напруга перебігає запобіжник або яка потужність запобіжника розсіюється, коли він дме. Мене хвилює струм через навантаження - це коли дме запобіжник (і подовжуючи струм у запобіжнику, коли він дме).

Ви можете стверджувати, що обмежувати потужність НА НАВАНТАЖЕННІ або напругу НА НАВАНТАЖЕННІ, але ви не можете оцінювати запобіжники на основі потужності навантаження або напруги, оскільки ці числа залежать від самого навантаження. Іншими словами, це означає, що запобіжник не може бути оцінений таким чином, не знаючи точно характеристик навантаження, з яким він використовується.

Більш жорстко, це тому, що положення запобіжника в ланцюзі не дозволяє йому спостерігати потужність або напругу в навантаженні. Він може спостерігати лише струм, що йде до навантаження. Звичайно, запобіжник може спостерігати власне падіння напруги або розсіювання потужності зі свого положення в ланцюзі, але ми вже встановили, що не має значення для захисту системи.

Якщо ви дасте мені запобіжник з використанням напруги або ват через нього, я повинен пройти купу непотрібних розрахунків, які враховують характеристики мого навантаження, щоб зрозуміти, чи буде захищати струм, який запобігає запобіжник. моє навантаження від перенапруги, перенапруги або перевантаження.

Найважливішим моментом для розуміння є матеріал, з якого виготовлені плавкі дроти. Це звичайний простий метал. Однак метал має властивість бути холодним провідником : якщо нагріти дріт, він стає все менше провідника і більше резистора.

Тепер, якщо у вас є запобіжник, який працює нижче його межі струму, він перетворює невеликий шматочок електричної енергії в тепло, яке швидко розсіюється, і провід залишається прохолодним. Відповідно, він має дуже низький опір, тому на запобіжник падає лише невелика кількість напруги.

Коли струм через запобіжник піднімається вище порогу, дріт запобіжника стає теплішим. Це означає, що його опір зростає, що більша частина напруги падає через запобіжник і, як такий, перетворює більше електроенергії в тепло.Нагрівання в плавці запобіжника викликає більше тепла . Це самопідсилювальний процес, і оскільки в наявності стільки електричної енергії, яка просто текла через запобіжник, коли було холодно, гарячий запобіжник може витягнути багато сили від струму ще до того, як значно вплинути на напругу на приладі .

Через цей самопідсилювальний процес нагрівання запобіжник швидко перегрівається, гальмуючи контур.

Це правда, що провідник запобіжника нагрівається у відповідь на струм, що протікає через нього. Сам провід призначений для розсіювання цього тепла за допомогою провід у навколишнє його середовище, щоб запобіжник не танув, поки потужність, що розсіюється в ньому, не перевищить здатність проводу відводити це тепло. Тоді тепло наростає до тієї точки, де плавиться запобіжник. Додаючи масу до проводу, збільшується його теплова константа часу, що забезпечує можливість обробляти короткі перенапруги, що призводить до пластового запобіжника.

Але хіба провідник насправді не спрацьовує, коли певна кількість енергії / тепла розсіюється в провіднику? Тоді провідник знаходиться при занадто високій температурі і горить / плавиться. [...] Чому тоді я можу безперервно керувати запобіжником при меншому струмі, як 9A, і без запобіжника, але трохи пізніше?

Не має значення, скільки енергії було розпущено в запобіжника. Важливим є швидкість, з якою енергія розсіюється в запобіжник (це потужність - I ² R) порівняно зі швидкістю, з якою енергія розсіюється з запобіжника за рахунок випромінюваного тепла та теплопровідності.

Коли енергія потрапляє в запобіжник швидше, ніж виходить, тоді запобіжник нагрівається. Однак, коли запобіжник нагрівається, швидкість, з якою енергія розсіюється поза запобіжника, збільшується. Температура буде зростати, поки теплова потужність, що виходить із запобіжника, не збігається з тепловою потужністю, що надходить (I ² R).

Так запобіжник швидко досягне рівноважної температури, яка визначається струмом. Коли ця температура буде занадто високою, запобіжник задує.

Залежно від матеріалу плавкого запобіжника, він може продувати, коли температура рівноваги досягне температури плавлення матеріалу, або може подути тепловим відбійником, про який згадує @cmaster у своїй відповіді. В той момент, підвищення температури в блоці запобіжників збільшує потужність в швидше , ніж це збільшує потужність поза , і рівновагу втрачається.

Запобіжники розраховані на робочий струм . Плавкий запобіжник 10А не буде дути (або "повільно руйнуватися") на 9A, або навіть 10A. Те, що він має маркування 10A, означає лише, що виробник гарантує, що він буде працювати так, як очікувалося, доки ви не перевищите рейтинг.

Очевидно, що означає, що плавкий запобіжник 10А не вибухне в момент, коли ви перевищите 10А Насправді, якщо ви подивитеся на таблицю даних , ви побачите, що вам потрібно щось на зразок 20А, щоб взагалі роздути запобіжник 10А, а може бути і 30 + А, якщо ви хочете, щоб це сталося досить швидко.

У запобіжників також є показники падіння напруги, і справді вам потрібно як струм, так і напруга, щоб підірвати шматок дроту. Але оскільки кінцеві користувачі, як правило, бажають точного значення струму, виробники не вимірюють падіння напруги точно і надають для нього лише типове / максимальне значення. Уявіть, я кажу вам, що у мене є запобіжник на 150 мВ / 5 мОм: ви вважаєте, цього було б достатньо для захисту, наприклад, напругою живлення потужністю 1 кВт? Вам доведеться дізнатися поточний рейтинг, щоб сказати.