Назначение и типы устройств плавких предохранителей

Предохранитель — это устройство, которое защищает электронику от чрезмерно высокого напряжения или же короткого замыкания. Этот элемент является одноразовым. После срабатывания его необходимо утилизировать и установить в приборе новый. Уже давно существуют автоматические выключатели, которые можно использовать много раз. Они не выходят из строя и продолжают корректно работать. Но предохранители и сейчас используются повсеместно.

Устройство элемента

Сетевые электропредохранители применяются не только в электронике, но и в системах электросети. Любой тип конструкции имеет три составные части:

• Корпус.
• Контакты.
• Непосредственно плавкий элемент, благодаря которому функционирует устройство.

Плавкий элемент — это материал, проводящий электрический ток, который выполнен из легкоплавкого сплава. Этот проводник имеет определённое электрическое сопротивление, из-за чего происходит выделение тепла во время прохождения по нему тока. Если значение ниже предусмотренного характеристиками, то температуры будет недостаточно для того, чтобы проволока расплавилась. Назначение и типы устройств плавких предохранителей могут быть разными.

Когда значение превышает номинальный порог срабатывания, плавкий элемент расплавляется, что ведёт за собой разрыв цепи. Скорость этого процесса обусловливается силой тока, проходящего через проводник. По маркировке предохранителя можно понять, какие характеристики были заданы заводом во время производства. Это позволит определить время, через которое сработает аварийное отключение при определённом показателе нагрузки. Такая информация необходима людям, проектирующим защитное оборудование.

Корпус предназначается не только для соединения элемента в устройстве. Во время срабатывания часто может появиться электрическая дуга. Корпус выполняет задачу по её гашению. Контакты необходимы для подсоединения защитного оборудования к элементам, через которые подаётся электричество на электроустановки. Чем больше площадь самого контакта, тем меньше вероятность, что произойдёт нагрев на соединении. Зачастую они выполнены из меди или латуни со специальным анодированным покрытием.

Принцип работы

Проводник, размещённый внутри корпуса, зачастую делается из какого-либо чистого металла, например, цинка или же меди. Защита оборудования основана на том, что токопроводящие металлы благодаря сопротивлению нагреваются во время подключения к электричеству. Этот эффект работает по такой схеме:

1. При недостаточном значении тока проволока или пластина успевает равномерно распределить тепло. Это позволяет сохранить целостность.
2. Чрезмерная сила тока очень быстро нагревает проводник. Повышение температуры этого элемента устройства способствует возрастанию сопротивления.
3. Большее сопротивление приводит к ещё большему нагреву. При достижении температурного порога проводник разрушается и цепь обрывается.

Благодаря такому свойству происходит расплавление вставки, расположенной внутри предохраняющего устройства. В зависимости от типа предохранителей и сферы использования размер, форма и сечение проводящего элемента различаются. Для бытовых нужд применяется очень тонкая проволока. В приборах, рассчитанных на огромную силу тока, используются толстые пластины.

Классификация основных видов и типов

Плавкие проводники имеют разные типы и виды конструкции. Каждый из них предназначен для выполнения защитных функций для определённых приборов. По типу конструкции они подразделяются на такие:

• наполненные;
• ненаполненные.

Под наполнением подразумевается, что внутри корпуса будет какое-либо вещество, способное погасить электродугу. Размыкание цепи происходит только после полного гашения. Поэтому корпус обычно наполняется кварцевым песком

В ненаполненных происходит выделение газов, благодаря которым тухнет дуга. Этот процесс запускается во время нагрева корпуса. Также есть и дополнительные виды защитных конструкций. Список разновидностей:

1. Слаботочные. Их используют только в приборах с низкими показателями мощности, которые потребляют ток до 6 ампер. Это цилиндры, имеющие на концах контакты.
2. Вилочные. Их применяют, чтобы предохранить оборудование в автомобилях. Название они получили из-за своего внешнего вида.
3. Пробковые. Они выполняют свои действия в однофазных сетях. Самым простым примером будут электрические пробки. Всё ещё бывает, что вместо автоматических выключателей применяются аналоговые устройства, сделанные из керамики. Внутри корпуса устанавливается такой предохранитель. Он способен разрывать цепь для всего дома. После срабатывания отключается электроснабжение всех приборов.
4. Трубчатый предохранитель состоит из двух контактов, между которыми располагается крепление. Это ненаполненное устройство, где корпус выполнен из фибры. В случае перегрева происходит выделение газа.
5. Ножевые. Такие устройство рассчитаны на ток силой от 100 до 1200 А. Их применяют там, где необходима большая нагрузка. Наиболее распространённым примером является предохранитель fu1.
6. Кварцевые. Внутрь корпуса помещают кварцевый песок. Такие защитные механизмы используется в сетях, где показатели напряжения достигают 36 кВт.
7. Газогенерирующие, разборные, а также неразборные.

Подбирается предохранитель с учётом нагрузки на сеть. Мощные устройства устанавливают в трансформаторных будках. Они не сгорают при показателях тока, способных обеспечить весь жилой массив электропитанием. Устройства со слабой мощностью ставят на отдельные дома или квартиры. В некоторых бытовых приборах также может использоваться слаботочный предохранитель.

Гашение дуги в корпусе

Многие не знают, для чего нужен предохранитель, у которого внутри ничего нет. Их используют только для небольших токов. При разрыве соединения на таких показателях не возникает дуга, которая может нанести вред электрооборудованию. Когда вставка расплавляется, затухание происходит самостоятельно.

С увеличением нагрузки появляется потребность в принудительном гашении. Если этого не будет, она не погаснет, а короткое замыкание никуда не исчезнет. В случае аварии цепь не отключится. Дуга расплавит контакты, распылит при этом микрочастицы металла по всему корпусу, из-за чего получится контактный мостик. Аварийная сеть будет подпитываться по нему до тех пор, пока не сработает следующий этап защиты оборудования.

Чем дольше компенсируется короткое замыкание, тем пагубней будут его последствия. Поэтому на погашение дуги необходимо обращать особое внимание. Существует два основных способа, благодаря которым этот процесс происходит быстро:

1. Изготовление корпуса из фибры.
2. Заполнение кварцевым песком.

В первом способе используется слоистый материал. Фибра — это спрессованный картон, который на первом этапе изготовления пропитывается хлористым цинком. Такие изделия отлично переносят воздействие ацетона, бензина, спирта и имеют высокие изоляционные свойства.

Главным достоинством такого материала для применения в предохранителях является то, что он во время возгорания выделяет газы, которые способны заблокировать горение. Они смешиваются с плазмой дуги, чем сильно усложняют движения электронов. Происходит резкое увеличение сопротивления, благодаря чему процесс прекращается. Эти предохранители называются газогенерирующими. Помимо фибры, может применяться и винипласт.

Следующий метод основывается на заполнении корпуса защитного устройства кварцевым песком. Этот материал имеет температуру плавления в 1700 градусов по Цельсию. Также он является хорошим диэлектриком. После того как проводник перегорит, дуге придётся проходить между песчинками, что значительно увеличит её длину. Также песок забирает тепло. Кварцевая защита получила широкое распространение. Её используют до сих пор. Предохранители из фибры можно встретить только в устаревших устройствах.

Высоковольтные предохранители

Использование защиты для электрических установок с высоким напряжением позволяет значительно упростить и снизить стоимость конструкции. В качестве альтернативы могут применяться релейные устройства. Но это намного дороже, чем монтаж предохранителя. На высоковольтных установках к быстродействию предохранителей предъявляют очень высокие требования. Чтобы они срабатывали быстрее, металлический элемент соединяется с пружиной. В корпус помещают кварцевый песок.

Когда плавкая вставка перегорает, пружина отпускается и быстро сокращается. Это в короткие сроки увеличивает длину дуги. Так процесс гашения ускоряется в несколько раз. Также обязательным элементом в конструкции является узел, который осуществляет контроль исправности. Когда на низковольтных предохранителях осуществляется проверка, просто берётся индикатор или тестер. Проверить работоспособность высоковольтного предохранителя таким способом не выйдет. Возле него нельзя находиться близко, а указатели напряжения не могут дать корректные результаты.

Для того чтобы понять, исправен ли предохранитель, в его корпусе есть специальный индикатор, который выскакивает при перегорании. Его можно увидеть на безопасном расстоянии. На низковольтных устройствах индикация сделана только для удобства эксплуатации.

Также существует ещё одна проблема в сетях, показатели которых превышают 1000 В. Она заключается в том, что появляется неполнофазный режим, когда происходит расплавление элемента на одной фазе. Трансформаторы остаются работать на двух фазах. При этом выдаётся несимметричное напряжение, которое способно привести в негодность электроприборы потребителей.

Чтобы такой проблемы не возникало, применяют специальные предохранители, в конструкции которых есть бойки на каком-либо торце. Этот элемент находится на напряжённой пружине. Он освобождается в то же время, когда перегорает вставка. Эти устройства дополнены отключающими планками. В работающем состоянии контакты удерживаются специальной защёлкой. Благодаря отключающей планке во время удара она выбивается. Такая система отбрасывает контакт в отключённое положение.

Полупроводниковые приборы

Из-за развития полупроводникового оборудования возникла дополнительная проблема. Никакое устройство, работающее по механическому принципу, не может вовремя отключить подачу электричества. Это касается и плавких предохранителей. В современной технике довольно часто применяются диоды и транзисторы. Такие приборы можно перегружать только несколько десятков миллисекунд. После превышения этого порога оборудование выйдет из строя.

Полупроводниковые предохранители предназначены для того, чтобы минимизировать пагубное воздействие перегрузок на электронику в инверторах, преобразователях, а также различных устройствах с плавным пуском.

Такие предохранители перегреваются значительно быстрее, чем плавкие металлы. Но у них есть и недостаток. Во время срабатывания такая защита не может гарантировать разъединение цепи. Подача электричества на устройство прекращается, но не до конца. Поэтому необходимо в комплексе применять ещё и автоматический выключатель. Он монтируется перед полупроводниковым предохранителем.

Самовосстанавливающиеся проводники

Бывает, что после перегрузки в электросети цепь можно снова подключить без какого-либо вреда через определённое время. Это довольно важно для различных микропроцессоров и микроконтроллерного оборудования. Для этих цепей применяют предохранители с самовосстановлением.

В основе лежит состав, в который входит углерод и полимер. С помощью углерода возможно обеспечить необходимую степень проводимости, но сам предохранитель имеет сопротивление. Если сила тока превышает номинальные показатели, то самовосстанавливающиеся элементы нагреваются, из-за чего полимер переходит в газообразный вид. При этом происходит значительное расширение. Связь между частицами углерода разрывается. Электричество уже не может проходить через предохранитель. После остывания весь состав переходит в базовую форму. Частицы углерода снова восстанавливают контакт, и предохранитель можно использовать.

Создание индикатора перегорания

На рынке есть специальные предохранители, которые предназначаются для автомобилей. Они оборудованы индикатором неисправности. Непосредственно в корпусе устройства установлена маленькая лампа накаливания или же светодиод. Индикация начинается тогда, когда происходит перегорание предохранителя. Такое устройство можно сделать и самостоятельно.

Чтобы это выполнить, необходимо подключить через параллельное соединение к контактам защитного устройства какой-либо светодиод. Делать это нужно через миниатюрную лампочку, которая должна работать от напряжения в 12 вольт. Также можно применять токоограничивающий резистор.

Индикатор устанавливается непосредственно в корпусе или же сбоку, на колодке держателя. Лучше выбирать второй вариант, потому что во время замены отсекающего устройства сам индикатор не нужно будет перемещать. Следует помнить, что он не будет гореть при испорченном предохранителе, если к нему не подведена нагрузка.

Индикация может работать и на устройствах, функционирующих от бытовой электрической сети в 220 вольт. Для этого необходимо использовать резистор со значениями сопротивления до 500 кОм. Также, чтобы защитить светодиод, нужно в схему добавить любой диод, который рассчитан на обратное напряжение со значениями от 300 вольт. В этом случае отлично подходит устройство от отечественного производителя КД109Б.