bezpieczniki1

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Listy od Piotra
B e z p i e c z n i k i
− niedoceniane elementy elektroniczne
Pytania nadsyłane do Skrzynki
Porad świadczą, że wielu entuzja−
stów elektroniki nie ma niezbęd−
nych wiadomości o bezpieczni−
kach. Część elektroników, zapa−
trzonych w najnowsze osiągnię−
cia techniki, całkowicie lekcewa−
ży "prymitywne" elementy, za ja−
kie uchodzą bezpieczniki. Tym−
czasem każdy praktyk powinien
mieć przynajmniej podstawowe
informacje o bezpiecznikach.
Niniejszy trzyczęściowy artykuł
rozpoczyna się od podania takich
niezbędnych informacji, które trze−
ba zrozumieć, a niektóre zapamię−
tać raz na zawsze. Druga część za−
wiera wiadomości przeznaczone
dla dociekliwych i zaawansowa−
nych, dotyczące zabezpieczenia
elementów półprzewodnikowych.
Trzecia część przybliża nowocze−
sne bezpieczniki wielokrotnego
użytku, stosowane coraz po−
wszechniej w sprzęcie elektronicz−
nym oraz bezpieczniki termiczne.
część 1 − Niezbędnik
grafii tytułowej stanowią takie typowe
wkładki. W katalogach i ofertach handlo−
wych oznaczane są WTA – Wkładka Topiko−
wa Aparatowa. Na fotografii tytułowej znaj−
dziesz też kilka większych wkładek, o wy−
miarach 6,3x30mm, stosowanych często
w sprzęcie amerykańskim. We wszystkich
elementem czynnym jest topik – kawałek
drucika, który przy zbyt dużym prądzie ulega
stopieniu i przerywa obwód.
Wydawałoby się, że ten kawałek drucika
to wyjątkowo prymitywny element, któremu
nie warto poświęcać uwagi.
Czy jednak
potrafiłbyś, Czy−
telniku, wyjaśnić,
czym tak napraw−
dę różnią się trzy
wkładki topiko−
we z
fotografii
1
? Wszystkie trzy
mają ten sam
prąd znamiono−
wy, w tym wy−
padku 800mA, różnią się nieco budową. Jed−
na wkładka zawiera w oznaczeniu literkę T,
druga literkę G, trzecia ma w oznaczeniu tyl−
ko prąd znamionowy; na wszystkich umie−
szczono też napis 250V.
Parametry
i charakterystyki
Fotografia przedstawia topikowe wkładki
bezpiecznikowe WTA, WTA−T oraz WTA−G.
Najpopularniejsze są wkładki oznaczone
WTA oraz WTA−T. Znacznie rzadziej używa
się wkładek WTA−G.
Wkładki oznaczone literką T (WTA−T) to
tak zwane wkładki zwłoczne. Wkładki bez li−
terki (WTA) to tak zwane wkładki szybkie –
w katalogach i normach oznaczane są literą
F. Literę F zwykle się pomija i traktuje
wkładki szybkie jako „standardowe”. Wkład−
ki z literką G (WTA−G) to wkładki szybkie
o dużej zdolności wyłączania – oznaczenie
katalogowe zawiera litery F i G.
Te ogólne określenia niewiele mówią. Na−
leżałoby bliżej zapoznać się z ich parametrami.
Zacznijmy od prądu znamionowego. Czy
uważasz, że przy prądzie znamionowym bez−
piecznik od razu się przepali? Nie!
Znamiono−
wy prąd bezpiecznika to maksymalny prąd, nie
powodujący jeszcze zadziałania bezpiecznika
.
Przy jakim prądzie bezpiecznik zadziała,
czyli się przepali? Czy wystarczy zwiększyć
prąd do 105% wartości znamionowej? A mo−
że do 110%?
Trzeba pamiętać, że zadziałanie bezpiecz−
nika oznacza rozgrzanie drucika topikowego
do znacznej temperatury. Zapewne więc pe−
wien wpływ na parametry będzie mieć tem−
peratura otoczenia. Tak, ale nie tylko. Z kilku
innych względów trudno precyzyjnie przewi−
dzieć zachowanie poszczególnego bezpiecz−
nika. W katalogach i normach podane są je−
dynie wartości graniczne.
Pożegnaj się jednak raz na zawsze z wyobra−
żeniem, że bezpiecznik działa szybko po jakim−
kolwiek zwiększeniu prądu powyżej prądu zna−
mionowego. Przy prądzie równym 110% zna−
mionowego zdecydowana większość bezpieczni−
ków w ogóle nie zadziała! Jedynie dla bezpiecz−
ników T podaje się wymaganie, by przy prądzie
110% nominalnego i w temperaturze +70
o
C
Oto przykłady: dla dwóch z trzech oma−
wianych wkładek (szybkich − F oraz G) poda−
je się, że przy prądzie równym 210% znamio−
nowego zadziałają one w czasie nie dłuższym
niż 1800 sekund. Oznacza to, że po dwukrot−
nym przekroczeniu prądu nominalnego bez−
piecznik może funkcjonować jeszcze przez
pół godziny! Dla trzeciej wkładki (zwłocznej
− T) maksymalny czas do zadziałania nie
przekroczy 120s, czyli dwóch minut.
Normy i katalogi podają też, że na przy−
kład przy prądzie równym 275% znamiono−
wego wkładka szybka F o nominale 2,5A po−
winna zadziałać w czasie 50ms...2s, wkładka
szybka 2,5A FG w czasie 10ms...2 s, a wkład−
ka zwłoczna 2,5A T w czasie 0,6...10s.
Dla prądu 400% znamionowego wartości te
wynoszą odpowiednio: F − 10ms...0,3s,
Początkujący elektronik uważa, że bezpiecz−
nik to element, który ma chronić jakiś obwód
czy urządzenie przed uszkodzeniem, nie do−
puszczając do nadmiernego wzrostu prądu
w przypadku przeciążenia czy zwarcia. Takie
wyobrażenie nie jest do końca prawdziwe.
Owszem, w niektórych obwodach bezpiecz−
nik rzeczywiście ma pełnić taką rolę. W za−
skakująco wielu przypadkach bezpiecznik
ma zupełnie inne zadanie. Przykładowo bez−
piecznik sieciowy obecny w wielu urządze−
niach nie jest w stanie skutecznie ochronić
przed uszkodzeniem, a jedynie ma nie dopu−
ścić do dalszych uszkodzeń, przede wszyst−
kim do powstania pożaru czy wybuchu.
W powszechnym użyciu jest kilka rodza−
jów bezpieczników, w tym dwa rodzaje bez−
pieczników samochodowych. Bezpieczniki
przeznaczone do samochodów interesują nas
najmniej, między innymi ze względu na bar−
dzo duże prądy znamionowe (powyżej 4A).
W sprzęcie elektronicznym najczęściej stoso−
wane są bezpieczniki rurkowe, a ściślej rur−
kowe wkładki topikowe, o długości 20mm
i średnicy 5,2mm o prądach znamionowych
w zakresie 32mA...10A − większość na foto−
Fot. 1
Elektronika dla Wszystkich
99
− niedoceniane elementy elektroniczne
Listy od Piotra
FG − 3ms...0,3s, T − 0,15...3s. Dla prądu 1000%
(dziesięciokrotne przeciążenie) czasy zadziałania
dla wkładek F i FG nie powinny być dłuższe niż
20ms, a dla wkładek zwłocznych T – 20ms...0,3s.
Przedstawione zależności dla wkładek
T i F o nominałach 125mA...10A można zo−
baczyć na
rysunku 1
. Na osi poziomej zazna−
czony jest czas zadziałania na pionowej prąd,
a właściwie stosunek prądu rzeczywistego do
prądu znamionowego. Kolorami zaznaczyłem
charakterystyki bezpieczników F oraz T. Tu
jasno widać, że przy dużych prądach wkładki
T rzeczywiście są powolniejsze.
dach 275% i większych, zgodnie ze swą na−
zwą, rzeczywiście są powolniejsze.
To nie przypadek! Wkładki zwłoczne sto−
sowane są przede wszystkim w obwodach,
gdzie mogą wystąpić chwilowe przeciążenia,
na przykład przy rozruchu silników, transfor−
matorów, itd. Krótki impuls przeciążeniowy
nie powoduje spalenia bezpiecznika, nato−
miast przy trwałym przeciążeniu bezpiecznik
zwłoczny T powinien zareagować wcześniej
od szybkiego F. Nawet jeśli nie chcesz zagłę−
biać się w szczegóły, zapamiętaj, że
w obwo−
dach sieciowych sprzętu elektronicznego
z reguły stosuje się bezpieczniki zwłoczne,
zawierające w oznaczeniu literkę T
. Wsta−
wienie tam wkładki szybkiej (z literą F lub
bez litery) jest błędem. Na przykład w chwi−
li dołączania do sieci wzmacniacza z siecio−
wym transformatorem toroidalnym, zależnie
od momentu włączenia, może pojawić się
potężny, krótki impuls prądu. Wkładka
zwłoczna, na przykład 2,5A T może wytrzy−
mać taki impuls, wkładka „zwykła”
2,5A niechybnie szybko się spali – dopiero
„zwykła” wkładka 5A lub 6,3A wytrzyma ta−
kie impulsy. Jednak ta „zwykła”, czyli szyb−
ka wkładka w przypadku jakiegoś trwałego
przeciążenia, na przykład uszkodzenia
i zwarcia w obwodzie wzmacniacza, nie
przepali się jeszcze przy prądach rzędu 10A,
co zwiększa ryzyko przegrzania i powstania
pożaru. Natomiast jak gwarantuje katalog,
dla wkładki zwłocznej 2,5A, przy przeciąże−
niu prądem 5,25A czas zadziałania nie prze−
kroczy 120 sekund.
A gdzie stosować „zwykłe”, czyli szybkie
bezpieczniki? Jeśli już jesteśmy przy wzmac−
niaczach, typowym miejscem pracy dla bez−
piecznika szybkiego jest wyjście zasilacza
sieciowego. Dobrze dobrany szybki bez−
piecznik może uchronić przed zniszczeniem
elementy półprzewodnikowe w razie przecią−
żenia, zwarcia, itp. Jeśliby nawet nie uchronił
delikatnych półprzewodników, zapobiegnie
dalszym uszkodzeniom, na przykład trans−
formatora czy diod zasilacza.
Jak rozpoznać
wkładki zwłocz−
ne? Zawsze na
bezpieczniku obok
prądu nominalne−
go umieszczona
jest literka T. Poza
tym wiele wkładek
zwłocznych ma
wewnątrz szklanej
rurki sprężynkę
– niestety, nie
wszystkie.
Jeśli na wkładce
topikowej nie ma li−
terki T (ani G), jest
to wkładka szybka –
literę F z reguły się
pomija.
W sprzęcie powszechnego użytku
w obwodach sieciowych zwykle stosuje
się wkładki zwłoczne (T).
Napięcie
Celowo w przypadku bezpieczników podaje
się napięcie maksymalne. Nie byłoby to po−
trzebne, gdyby bezpieczniki przepalały się
podczas powolnego wzrostu prądu czy też
przy prądach co najwyżej dziesięciokrotnie
większych od znamionowego. A rysunek 1
pokazuje charakterystyki dla takich właśnie
warunków. Cały problem w tym, że zdecy−
dowana większość bezpieczników „traci ży−
cie” w warunkach zwarcia, czyli wtedy, gdy
w obwodzie chce płynąć i rzeczywiście
przez krótki czas płynie bardzo duży prąd
zwarciowy. Ten duży prąd powoduje, że
drucik topikowy ogromnie się rozgrzewa
i co gorsza w jego miejscu powstaje łuk
elektryczny, czyli mieszanina rozgrzanych,
zjonizowanych cząstek. Być może zaobser−
wowałeś kiedyś błysk, powstający w chwili
spalenia bezpiecznika – jego źródłem jest
właśnie łuk elektryczny. Jak wiadomo, łuk
elektryczny, występujący także podczas
uderzenia pioruna czy podczas spawania,
przewodzi prąd elektryczny. Choć więc dru−
cik topikowy się stopi, prąd będzie płynąć
przez łuk utrzymujący się jeszcze przez ja−
kiś czas. Problem powstawania łuku elek−
trycznego występuje z całą ostrością w tech−
nice wysokich napięć. Ale nie tylko – łuk
powstaje także przy spawaniu, gdy napięcie
wynosi co najwyżej kilkadziesiąt woltów.
Najprościej biorąc, czym wyższe napięcie
w rozłączanym obwodzie, tym lepsze wa−
runki do powstania i utrzymania się łuku.
Jak się okazuje, problem łuku dotyczy rów−
nież bezpieczników. Jeśliby drucik bez−
piecznika przepalił się na małym odcinku,
łuk w pewnych warunkach mógłby powstać
i utrzymywać się także przy stosunkowo ni−
skich napięciach, zwłaszcza przy prądzie
stałym. Ponadto zapalony łuk mógłby na
trwałe powstać między np. zaciskami obu−
dowy lub elementami gniazda bezpiecznika.
Pożytek z takiego bezpiecznika byłby żaden
– wprawdzie przy mniejszych przeciąże−
niach bezpiecznik będzie działał według
charakterystyk z rysunku 1, jednak przy
zwarciu i dużych prądach zwarciowych cza−
sy rozłączenia obwodu okazałyby się zastra−
szająco długie. Aby do tego nie dopuścić,
wkładki przeznaczone do wyższych napięć
mają taką budowę, która pomaga gasić po−
wstający łuk. Może tego nie widać na
pierwszy rzut oka, ale tak jest.
I tu wyjaśnia się sprawa napięcia –
na−
pięcie podane na wkładce to maksymalne
napięcie, przy którym nastąpi niezawodne
przerwanie łuku
(na rurkowych wkładkach
jest to zwykle 250V). Nieco podobne
Rys. 1
Czy nie umknęło Twojej uwadze, że
wkładki zwłoczne (T) przy stosunkowo ma−
łych prądach przeciążeniowych, np. przy
prądzie 210% nominalnego, mają gwaranto−
wany czas zadziałania krótszy (!) od wkła−
dek szybkich (F i FG)? Natomiast przy prą−
REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA
100
Elektronika dla Wszystkich
 Listy od Piotra
wkładki samochodowe mają zupełnie inną
budowę i nie powinny być stosowane w ob−
wodach, gdzie występują napięcia wyższe
niż 35V. Przy napięciach wyższych niż
250V powinny pracować inne wkładki,
o większych wymiarach (8,5x31,5mm oraz
10x38,1mm).
tycznej bezpieczniki te nie są w stanie sku−
tecznie i szybko przerwać prądu płynącego
przez powstały łuk. Co z tego? Oznacza to
na przykład, że
popularne bezpieczniki ty−
pów T i F absolutnie nie są w stanie ochro−
nić przed zwarciem elementów półprzewo−
dnikowych – konkretnie triaków, tyrysto−
rów, diod, pracujących w obwodach sieci
.
I tu dochodzimy do bezpieczników ozna−
czanych literą G, a właściwie FG. Są to spe−
cjalne szybkie bezpieczniki o dużej zdolno−
ści wyłączania. Od „zwykłych” bezpieczni−
ków F różnią się nie tyle charakterystykami
według rysunku 1, co zdolnością gaszenia
łuku i skracania całkowitego czasu przepły−
wu prądu zwarcia. Bezpieczniki G o typo−
wych wymiarach 5x20mm mają zdolność
wyłączania równą 1500A. Teoretycznie, od−
powiednio dobrane bezpieczniki typu G są
w stanie ochronić przed uszkodzeniem pół−
przewodniki (np. triaki). Teoretycznie, po−
nieważ w sieciach o jeszcze większych prą−
dach zwarciowych również one nie są sku−
tecznym zabezpieczeniem. Poza tym oprócz
czasu trwania i prądu zwarcia, w grę wcho−
dzą jeszcze inne czynniki. Precyzyjne do−
branie bezpiecznika, a właściwie obwodu
zabezpieczającego elementy półprzewodni−
kowe jest bardzo trudne i wymaga wiedzy
znacznie szerszej, niż podana w artykule.
Obecnie ceny półprzewodników są porów−
nywalne z ceną bezpieczników, dlatego
w wielu wypadkach rezygnujemy z próby
dobrania bezpiecznika typu G, stosujemy
zwykły, licząc się z tym, że w przypadku
zwarcia obciążenia triak, tyrystor, MO−
SFET czy diody pracujące w obwodach sie−
ci ulegną uszkodzeniu i trzeba je będzie wy−
mieni
ć.
, przy przepływie przez nią prądu
100mA, spadek napięcia wyniesie aż 1,8V.
Pomyśl – do jej szybkiego spalenia potrzeb−
ny jest prąd nie mniejszy niż 300mA, a w ta−
kich warunkach na bezpieczniku musi wy−
stąpić napięcie... 5,4V. Już to pokazuje, dla−
czego nie stosujemy bezpiecznika topiko−
wego na wyjściu stabilizatora – rezystancja
bezpiecznika ogromnie pogorszyłaby para−
metry stabilizatora, którego rezystancja we−
wnętrzna jest rzędu ułamków oma.
Rezystancja wiąże się ze spadkiem napię−
cia. Normy przewidują maksymalny spadek
napięcia na bezpieczniku.
Tabela 2
pokazu−
je kilka przykładów wybranych z normy.
Tabela 2
Wkładka Maksymalny
spadek napięcia
T32mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5V
F32mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10V
G32mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15V
T50mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,5V
F50mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7V
G50mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10V
T100mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,5V
F100mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,5V
G100mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7V
T315mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,1V
F315mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,3V
G315mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,5V
T1A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150mV
F1A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200mV
G1A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000mV
T3,15A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100mV
F3,15A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150mV
G3,15A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350mV
T10A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100mV
T10A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120mV
T10A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200mV
Ω
Prąd zwarciowy
Wiemy już z grubsza, dlaczego na bezpiecz−
nikach podaje się napięcie maksymalne. Ale
to jeszcze nie wszystko. Przed chwilą w tek−
ście pojawiło się zupełnie nieprecyzyjne
określenie „bardzo duży prąd zwarciowy”.
To kolejna istotna, nie wszystkim znana
sprawa. Jeszcze raz podkreślam, że więk−
szość bezpieczników kończy żywot w wa−
runkach zwarcia. Jaki prąd wtedy płynie?
To oczywiście zależy od tego, gdzie dany
bezpiecznik pracuje. W wiejskim gospodar−
stwie, znacznie oddalonym od transformato−
ra, napięcie w sieci energetycznej zawsze
jest niższe od nominalnego, a w przypadku
zwarcia popłynie prąd rzędu, powiedzmy,
kilkuset amperów. Z kolei w zakładowej
sieci, gdzie duży transformator jest na miej−
scu, spodziewane prądy zwarciowe będą
wynosić tysiące amperów.
Czy z rysunku 1 wynika, że przy tak du−
żych prądach czas zadziałania bezpiecznika
skróci się do pojedynczych milisekund lub
nawet mikrosekund? Niestety nie! Rysunek
1 informuje o tak zwanych czasach przedłu−
kowych, czyli czasach do zapalenia łuku,
a nic nie mówi o zjawiskach podczas zwar−
cia, gdy płyną ekstremalnie duże prądy.
A zachodzą wtedy dziwne zjawiska. Będą
one szerzej omówione za miesiąc. W upro−
szczeniu można powiedzieć, że nie tylko
wysokie napięcie sprzyja powstaniu i utrzy−
maniu łuku. Drugim bardzo ważnym czyn−
nikiem sprzyjającym jest wydajność prądo−
wa obwodu, gdzie umieszczony jest bez−
piecznik. Czym większy prąd zwarciowy
może popłynąć (i popłynie), tym trudniej
zgasić łuk. Informacje z rysunku 1 są bezu−
żyteczne w warunkach zwarcia. Jeśli prąd
zwarciowy jest bardzo duży, łuk utrzymuje
się, mówiąc najprościej, stosunkowo długo.
Aby scharakteryzować bezpieczniki pod
tym względem, mówi się o
zdolności wyłą−
czania
. Zdolność wyłączania to po prostu
spodziewana wartość prądu zwarciowego,
przy którym bezpiecznik skutecznie prze−
rwie obwód. Teraz pytanie: jaką zdolność
wyłączania mają popularne i najczęściej
stosowane bezpieczniki zwłoczne (T)
i szybkie (F)?
Oto przykra niespodzianka − jedne i dru−
gie mają żałośnie małą zdolność wyłącza−
nia: 35A przy prądzie przemiennym
i 20A przy prądzie stałym. Tymczasem
w obwodach sieci energetycznej spodziewa−
ne prądy zwarciowe są znacznie większe.
Wynika stąd, że w obwodach sieci energe−
Rezystancja i moc
Masz teraz ogólne pojęcie o trzech podsta−
wowych rodzajach bezpieczników. W ra−
mach niezbędnika omówimy jeszcze jeden
ważny szczegół.
Czy wiesz, jaką rezystancję mają popular−
ne wkładki topikowe? Małą? A jaki spadek
napięcia występuje na nich podczas normal−
nej pracy?
Zajrzyj do
tabeli 1
przedstawiającej zmie−
rzone przeze mnie omomierzem rezystancje
różnych wkładek.
Przypuszczam, że i to jest zaskoczeniem –
kilka czy nawet kilkanaście woltów napięcia
na bezpieczniku podczas jego normalnej
pracy
? W zasadzie nie ma się czemu dziwić.
Wszyscy wiemy, że drucik topikowy musi się
stopić, a do tego trzeba znacznej ilości ciepła.
W normach i katalogach podaje się, że pod−
czas normalnej pracy przy prądzie bliskim
nominalnemu we wkładce topikowej może
się wydzielać moc od 1,6W (mniejsze nomi−
nały) do 4W (nominały powyżej 3,5A).
Jeśli wstawiasz bezpiecznik zwłoczny
w obwód sieciowy, nie musisz się tym przej−
mować. Jeśli jednak bezpiecznik miałby pra−
cować w jakimś nietypowym układzie pracy,
trzeba uwzględnić jego rezystancję, spadek
napięcia i wynikające z tego konsekwencje.
Szczególnie dotyczy to bezpieczników
o niższych prądachznamionowych.
Tabela 1
T 63mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Ω
T 125mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Ω
T 315mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5Ω
F 315mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5Ω
T 800mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,15
Ω
F 800mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,15
Ω
Piotr Górecki
Czy rezystancja wkładek o niższych no−
minałach nie jest zaskakująco duża? Jeśli
przykładowo wkładka szybka 125mA ma
Ciąg dalszy za miesiąc
Elektronika dla Wszystkich
101
18
Ω
F 125mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]