Bezpieczniki nieenione elementy elektroniczne, Elektryka, Tematy, Bezpieczniki rozłączniki, Artykuły

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Listy od Piotra
Bezpieczniki
− niedoceniane elementy elektroniczne
W pierwszej części artykułu omówio−
ne były podstawowe zagadnienia
związane z bezpiecznikami. Drugi od−
cinek przeznaczony jest dla osób,
które chcą wiedzieć nieco więcej na
ten temat, zwłaszcza na temat dobie−
rania bezpiecznika do ochrony ele−
mentów półprzewodnikowych (tria−
ków, tyrystorów, diod) pracujących
w obwodach sieci energetycznej.
Nie będziemy się w to wgłębiać, bo temat
jest trudny, a podane informacje wcale go nie
wyczerpują – podawana w katalogach war−
tość I
2
t zwykle dotyczy tylko czasu przedłu−
kowego, czyli od chwili zwarcia do zapłonu
łuku. Tymczasem w obliczeniach należałoby
wziąć pod uwagę również wartość I
2
tzwią−
zaną z łukiem, a ta zależy od kilku czynni−
ków, między innymi od spodziewanego prą−
du zwarciowego oraz napięcia pracy.
zwarciowy sieci oraz ze względu na przepię−
cia. Przepięcia to mało znane zagrożenie po−
jawiające się w chwili zwarcia i zadziałania
bezpiecznika.
Skąd biorą się te przepięcia?
Przede wszystkim trzeba pamiętać, że sieć
energetyczna, a także każdy obwód zasilający
mają jakąś indukcyjność. Jeśli występuje in−
dukcyjność, przepięcia będą się pojawiać przy
każdej gwałtownej zmianie prądu, zarówno
przy prądzie stałym, jak i zmiennym.
Rysu−
nek 3
pokazuje w uproszczeniu sytuację przy
przerywaniu obwodu prądu stałego, gdzie wy−
łącznik F reprezentuje przepalający się bez−
piecznik, przerywający przepływ prądu.
W chwili przerwania prądu na cewce pojawia
się potężny impuls napięcia samoindukcji.
Choć przy prądzie zmiennym sytuacja jest
nieco inna, trzeba się spodziewać, że w chwili
zadziałania bezpiecznika, czyli w chwili prze−
rwania prądu zwarcia, też pojawi się przepięcie.
Bliższe zapoznanie się z tym tematem przy−
nosi kilka zaskakujących szczegółów i wskazu−
je, że sytuacja daleko odbiega od tej z upro−
szczonego modelu z rysunku 3.
Rysunek 4
po−
kazuje przebiegi napięcia i prądu w warunkach
zwarcia szybkiego bezpiecznika, który jest
w stanie rozłączyć obwód w czasie poniżej
10ms, czyli krótszym niż jeden półokres napię−
cia sieci energetycznej. Przerywana linia niebie−
ska pokazuje przebieg napięcia sieci 220V.
Czerwona linia pokazuje przebieg napięcia na
przepalającym się bezpieczniku. Przed wystą−
pieniem zwarcia napięcie na bezpieczniku jest
pomijalnie małe. Załóżmy, że zwarcie wystąpi 1
milisekundę po przejściu napięcia sieci przez
zero. Na rysunku 4 jest to chwila t
0
. Tuż po
zwarciu, w czasie t
0
...t
1
w obwodzie zaczyna
gwałtownie rosnąć prąd. Rośnie on według za−
znaczonego fioletową linią spodziewanego prą−
du zwarcia. Tak duży prąd powoduje stosunko−
wo duży spadek napięcia na druciku topikowym
bezpiecznika. Szybkość narastania prądu zależy
od indukcyjności sieci oraz od jej „wydajności”.
Spodziewane prądy zwarciowe w sieci energe−
tycznej mogą wynosić ponad 1000A.
W krótkim czasie (na rysunku 3 około
1,5ms) prąd ten spowoduje rozgrzanie do bar−
dzo wysokiej temperatury i stopienie drucika.
Niestety, obwód wcale nie zostanie przerwany.
Zapali się bowiem łuk elektryczny. Oporność
tego łuku jest znacznie większa niż wcześniej
istniejącego drucika, co odpowiada włączeniu
w obwód znacznej rezystancji. Przy znacznie
większej rezystancji obwodu prąd powinien
Całka Joule’a
W pierwszej części artykułu podane były
charakterystyki czasowo−prądowe wkładek
topikowych. Z charakterystyk wynika, że
czym większy prąd, tym czas przerywania
obwodu jest krótszy. Obowiązuje tu prosta
zależność matematyczna. Wynika ona z fak−
tu, że do zadziałania bezpiecznika potrzebna
jest odpowiednia ilość energii cieplnej. Cie−
pło to powstaje podczas przepływu prądu
przez rezystancję bezpiecznika – jest to tak
zwane ciepło Joule’a (czyt. dżula). Powstają−
cą ilość ciepła określa znany ze szkoły wzór:
E= (I
2
R) * t
Jeśli przyjmiemy, że energia E potrzebna
do stopienia drucika oraz rezystancja drucika
są stałe, możemy podać dla każdego bez−
piecznika charakterystyczną wartość iloczynu
I
2
t. Ponieważ w rzeczywistych warunkach,
zwłaszcza podczas zwarcia, prąd zmienia swą
wartość, prąd należałoby całkować w czasie.
Parametr I
2
t nazywany jest całką Joule’a i po−
daje się w katalogach. Czym większa wartość
I
2
t, tym trudniej spalić dany bezpiecznik.
Znając wartość I
2
t oraz prąd, można obli−
czyć czas zadziałania. Obliczeń takich w prak−
tyce się nie wykonuje. Jednak, wbrew pozo−
rom, wartość całki Joule’a jest przydatna.
Jak wspomniałem, jest to parametr określa−
jący „łatwość spalenia bezpiecznika”. Co bar−
dzo istotne, parametr ten dotyczy także innych
elementów, na przykład diody, triaka czy tyry−
stora. Co więcej, w katalogach diod, triaków
i tyrystorów, zwłaszcza tych przeznaczonych
do pracy w obwodach sieci energetycznej, po−
daje się wartość I
2
t tych elementów.
I tu doszliśmy do zagadnienia praktyczne−
go. Aby bezpiecznik uchronił przed uszko−
dzeniem element półprzewodnikowy, war−
tość I
2
t bezpiecznika musi być mniejsza od
wartości I
2
t chronionego elementu półprze−
wodnikowego. Jest to pierwszy warunek do
spełnienia przy doborze bezpiecznika do
ochrony elementu półprzewodnikowego.
Zwarcie
Potoczne wyobrażenia roli i działania bez−
piecznika zupełnie bezpodstawnie podpowia−
dają, że w chwili zwarcia bezpiecznik zadzia−
ła bardzo szybko i ograniczy prąd do warto−
ści bezpiecznej dla elementu półprzewodni−
kowego. Zazwyczaj tak nie jest, a ponieważ
w grę wchodzą dodatkowe zjawiska, warto
przyjrzeć się problemowi z bliska.
Jak mówiliśmy przed miesiącem, w każdym
obwodzie, w tym w sieci energetycznej, może−
my mówić o spodziewanym prądzie zwarcia.
Zazwyczaj jest on bardzo duży, wynosi setki
i tysiące amperów. Taki prąd, nawet płynąc
przez krótki czas, niewątpliwie stanowi śmier−
telne zagrożenie dla elementów półprzewodni−
kowych.
Rysunek 2
pokazuje przykład obwo−
du, gdzie może wystąpić tak groźne zwarcie.
Rys. 2
Przy okazji drobne wyjaśnienie. Na zagra−
nicznych schematach bezpiecznik często ozna−
czany jest literą F, jak na rysunku 2. Nie znaczy
to, że ma to być szybki bezpiecznik typu F. Li−
tera F na schematach pochodzi od angielskiego
Fuse i po prostu oznacza bezpiecznik. Nie ma
żadnego związku z rodzajem tego bezpiecznika.
W układzie z rysunku 2 zastosowany bez−
piecznik powinien ograniczyć maksymalny
prąd do wartości, która nie uszkodzi elementu
półprzewodnikowego, w tym wypadku triaka.
Nie jest to jednak takie proste, między in−
nymi ze względu na duży spodziewany prąd
102
Elektronika dla Wszystkich
Listy od Piotra
gwałtownie zmniejszyć swą wartość. Nie po−
zwala na to indukcyjność sieci. Jak wiadomo,
„indukcyjność nie znosi zmian prądu” − przy
próbie zmiany wartości prądu powstaje prze−
pięcie (napięcie samoindukcji), które próbuje
utrzymać wcześniejszą wartość prądu. Ponie−
waż prąd zdążył narosnąć do wartości kilkuset
amperów, a rezystancja łuku jest znacznie
większa od rezystancji drucika, szczytowa
wartość przepięcia, próbującego podtrzymać
przepływ tak dużego prądu, może wynosić na−
wet kilka kilowoltów. Powstałe przepięcie
podtrzymuje łuk, niemniej prąd maleje dość
szybko. W chwili t
2
napięcie i prąd są na tyle
małe, że łuk gaśnie. Tym razem prąd gwałtow−
nie maleje do zera. Powoduje to powstanie
drugiego przepięcia, którego szczytowa war−
tość jest zdecydowanie mniejsza niż pierwsze−
go, a to ze względu na mniejszą wartość prądu.
W przypadku tego bezpiecznika rozłącze−
nie nastąpiło szybko, w czasie poniżej 10ms.
Inny bezpiecznik w innych warunkach pracy
(inna indukcyjność, inny prąd zwarcia) rozłą−
czyłby obwód po dużo dłuższym czasie,
a w skrajnych warunkach nie rozłączyłby wca−
le, bo łuk mógłby się utrzymywać na stałe.
tudzie ponad dwóch kilowoltów. Przepięcie
to pojawi się na elementach obwodu i z pew−
nością uszkodzi umieszczony w obwodzie
element półprzewodnikowy (triak).
To kolejna przykra niespodzianka –
przy−
czyną uszkodzenia półprzewodnika wcale
nie musi być prąd, może nią być przepięcie
powstające w chwili zadziałania bezpieczni−
ka
. Mało tego,
powstające przepięcie może
uszkodzić inne, podobne elementy umie−
szczone w tej gałęzi sieci
.
Właśnie dlatego do ochrony elementów pół−
przewodnikowych, zwłaszcza przy większych
mocach, stosuje się dodatkowe środki zaradcze
oraz bezpieczniki specjalnej konstrukcji, tak
zwane bezpieczniki półprzewodnikowe. Nie
znaczy to, że zawierają półprzewodniki − służą
one do ochrony półprzewodników.
Rysunek 5
pokazuje przebiegi napięcia
i prądu w przypadku zastosowania specjalnego
bezpiecznika półprzewodnikowego. Dzięki spe−
cjalnej konstrukcji (m.in. przewężeniom druci−
ka, a właściwie paska topikowego) łuk zapala
się jeszcze szybciej, ale nie od razu na całej dłu−
gości drucika. Zwiększająca się stopniowo rezy−
stancja łuku powoduje przepięcie o wartości
znacznie mniejszej niż poprzednio. Ostatecznie
proces wyłączenia jest jeszcze szybszy, a po−
wstające przepięcia – znacznie mniejsze.
Podane właśnie informacje nadal nie wy−
czerpują tematu. Więcej materiału zawierają
artykuły w EP 4/95, 7/95, 8/95 i 9/95 z cyklu
Notatnik Praktyka. Zainteresowani powinni
szukać dodatkowych szczegółów w literatu−
rze specjalistycznej i katalogach firmowych.
Pozostali mogą przygotować się na ewentu−
alną wymianę elementów i pozostać przy
podanych wcześniej wnioskach, że skuteczne
zabezpieczenie elementów półprzewodniko−
wych przed zwarciem jest w warunkach ama−
torskich niemal niemożliwe.
średnio szybkie, T –
opóźnione, TT – zwłocz−
ne. Charakterystyki czaso−
wo−prądowe pokazane są
w uproszczeniu na
rysun−
ku 6
. Poszczególne kraje
i organizacje wprowadziły
jeszcze inny sposób
podziału. Charakterystyki jak na rysunku 1
(w poprzednim numerze EdW) niewiele
mówią o zdolności wyłączania prądów zwar−
ciowych i przydatności do poszczególnych
zastosowań. Profesjonalni konstruktorzy pro−
jektujący zabezpieczenia muszą więc sięgnąć
do szczegółowych firmowych katalogów.
Wiele cennych danych można znaleźć
także w zbiorczych katalogach firm handlo−
wych, na przykład w bardzo przydatnym ka−
talogu firmy ELFA, gdzie podane są podsta−
wowe dane wielu bezpieczników. Fotografie
na tej stronie pokazują kilka typów bezpiecz−
ników z oferty tej firmy.
Piotr Górecki
Ciąg dalszy za miesiąc
Rys. 3
Rys. 4
Rys. 5
Rys. 6
Obecna sytuacja
W kraju od lat produkowano (krakowska
Elektrotechniczna Spółdzielnia Pracy SPEL)
wkładki topikowe oznaczane WTA(Wkładka
Topikowa Aparatowa) zwłoczne i szybkie –
WTA−T oraz WTA. W nielicznych urządze−
niach zawierających triaki i tyrystory stoso−
wano bezpieczniki WTA−G (ściślej WTA−
FG), które można było poznać po gasiwie –
piasku znajdującym się wewnątrz rurki.
Oprócz tych wkładek o standardowych wy−
miarach 5x20mm, w kraju produkowane by−
ły inne bezpieczniki, między innymi dla tele−
komunikacji czy do ochrony półprzewodni−
ków (rodzina Btp). Obecnie w ofercie rynko−
wej można spotkać wiele bezpieczników za−
granicznych o różnych parametrach. Według
standardu IEC rozróżnia się nie dwa rodzaje
wkładek (T− zwłoczne i F – szybkie), tylko
pięć: FF –bardzo szybkie, F – szybkie, M −
Przepięcia
Czerwona linia na rysunku 4,
pokazująca przebieg napięcia
na bezpieczniku udowadnia, że
nie ma się z czego cieszyć.
Wprawdzie bezpiecznik nie po−
zwolił, by prąd wzrósł do pełne−
go spodziewanego prądu zwarcia, jednak
prąd i tak zdążył narosnąć do zatrważającej
wartości kilkuset amperów, a co gorsza, po−
wstało przy tym ogromne przepięcie o ampli−
Elektronika dla Wszystkich
103
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • milosnikstop.keep.pl
  •