اگرچه طراحان در طراحی صحیح مدارهای الکتریکی و الکترونیکی بسیار دقت می کنند. جریان اضافه به شکل اتصال کوتاه و اضافه بار ممکن است رخ دهد.

تنها هدف فیوزها و قطع کننده های مدار محافظت از پرسنل و/یا تجهیزات در برابر آسیب های جدی در صورت بروز شرایط جریان بیش از حد است.

این مقاله برای کمک به درک بهتر پارامترهای مختلف حفاظت در برابر جریان اضافه و کاربرد مناسب دستگاه‌های محافظ مدار است.

این مقاله یک درک اساسی از اصول و کاربردهای اضافه جریان ایجاد می کند، اما در نظر گرفته نشده است که جایگزین اصول مهندسی یا جایگزینی برای آزمایش برنامه های خاص شود.

جریان های اضافه

جریان اضافه وضعیتی است که در یک مدار الکتریکی زمانی وجود دارد که از جریان بار عادی تجاوز کند. دو شکل اصلی جریان اضافه، اضافه بار و اتصال کوتاه هستند.

فیوز زیمنس و مدار شکن ها نقش اصلی در یک مدار محافظت از پرسنل و تجهیزات در هنگام وقوع جریان اضافی خطرناک است.

مدار کوتاه

اتصال کوتاه یک وضعیت اضافه جریان است که در آن یک مسیر مدار غیرعادی با مقاومت کم به مدار وارد می شود.

این مسیر با مقاومت کم، بار معمولی را دور می زند و می تواند جریان های بسیار بالایی ایجاد کند (تا 1000 برابر جریان عادی در برخی شرایط).

در شرایط عادی یک مدار معمولی را می توان با قانون اهم به صورت زیر توصیف کرد:

instrumentationtools.com_fuse-over-current

 

هنگامی که یک اتصال کوتاه رخ می دهد، یک مسیر با مقاومت کم و غیرعادی ایجاد می شود که باعث می شود با کاهش مقاومت مدار، جریان مدار افزایش یابد.

جریان زمانی که یک اتصال کوتاه وارد می شود می تواند از 1000 برابر جریان معمولی مدار تجاوز کند. نمودار مدار اتصال کوتاه در زیر نشان داده شده است:

بیش از بار

اضافه بار یک وضعیت اضافه جریان است که در آن جریان از ظرفیت بار کامل معمولی مدار تجاوز می کند اما در آن شرایط خطا (اتصال کوتاه) وجود ندارد.

یک وضعیت اضافه بار لحظه ای (همچنین به عنوان جریان های “در جریان” شناخته می شود) ممکن است زمانی رخ دهد که یک مدار برای اولین بار به دلیل شارژ خازن و/یا راه اندازی موتور راه اندازی می شود. نمودار مدار اضافه بار در زیر نشان داده شده است:

instrumentationtools.com_ohms_law_ol

برای انتخاب وسیله حفاظتی مناسب، باید پارامترها و معیارهای زیر در نظر گرفته شود:

  • جریان عملیاتی معمولی مدار چقدر است؟
  • ولتاژ کار چقدر است؟
  • مدار AC است یا DC؟
  • دمای محیط کار چقدر است؟
  • جریان اتصال کوتاه موجود چقدر است؟
  • حداکثر I²t مجاز چقدر است؟
  • آیا جریان های سریع در دسترس هستند؟
  • آیا دستگاه محافظ برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، حفاظت در برابر بار اضافی یا هر دو استفاده می شود؟
  • محدودیت های اندازه فیزیکی چیست؟
  • آیا PCB روی سطح نصب می شود یا سوراخ است؟
  • آیا فیوز باید “قابل تعویض در میدان” باشد؟
  • آیا تنظیم مجدد مشکلی دارد؟
  • چه مجوزهای آژانس ایمنی مورد نیاز است؟
  • چگونه دستگاه را سوار کنم؟
  • ملاحظات هزینه چیست؟

جریان عملیاتی معمولی مدار چقدر است؟

برای انتخاب آمپر مناسب فیوز، ابتدا باید جریان حالت پایدار مدار را در دمای محیط 25 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت) بدانید.

   هنگامی که مقدار فعلی تعیین شد، باید یک درجه فیوز انتخاب شود که 135٪ از این مقدار باشد (به مقدار استاندارد بعدی می رسد).

برای مثال، اگر جریان حالت پایدار معمولی 10 آمپر محاسبه شود، باید یک فیوز 15 آمپر انتخاب شود [10 آمپر x 135٪ = 13.5 آمپر، اندازه استاندارد بعدی بزرگتر 15 آمپر است].

توجه به این نکته مهم است که اگر فیوز برای استفاده در محیطی با دمای احتمالاً بسیار بالا یا پایین در نظر گرفته شده باشد، جریان اسمی فیوز باید به طور قابل توجهی بیشتر یا کمتر باشد.

ولتاژ کار چقدر است؟

قانون اساسی این است که درجه ولتاژ فیوز باید همیشه بالاتر از درجه ولتاژ مداری باشد که از آن محافظت می کند.

به عنوان مثال، اگر ولتاژ مدار 24 ولت باشد، ولتاژ فیوز باید بالاتر از 24 ولت باشد (بله … می تواند 250 ولت باشد … فقط تا زمانی که از ولتاژ مدار بالاتر باشد).

مدار AC است یا DC؟

دو نوع مدار متمایز AC (جریان متناوب) و DC (جریان مستقیم) وجود دارد.

برق متناوب همان چیزی است که معمولاً از طریق برق در خانه خود پیدا می کنید. برق AC اساساً توسط ماشین‌های متحرک مانند ژنراتورها ایجاد می‌شود و از طریق شبکه برق تحویل داده می‌شود.

برق DC به طور معمول در برنامه های الکترونیکی و خودرو استفاده می شود. برق DC به طور کلی از طریق یک واکنش شیمیایی (به عنوان باتری و سلول های خورشیدی) یا تبدیل برق AC از طریق استفاده از منبع تغذیه AC به DC ایجاد می شود.

با برق AC، جریان و ولتاژ به سمت جلو و عقب نوسان می کنند. این نوسان کمک می کند تا فیوز به سرعت پاک شود. از طرف دیگر برق DC نوسان نمی کند، بنابراین فیوز باید ابزار دیگری برای پاک کردن خود در هنگام باز کردن پیدا کند.

به دلیل این تفاوت ها، برخی از فیوزها به طور خاص برای استفاده در برنامه های DC (مانند فیوزهای خودرو) طراحی شده اند. برخی از فیوزهای دارای رتبه AC ممکن است در برنامه های DC استفاده شوند، اما ممکن است در این موارد ولتاژ کاهش یابد.

دمای محیط کار چقدر است؟

دمای محیط روشی جالب برای گفتن “هوای بیرون” اطراف فیوز است. به طور معمول، فیوزها در “شرایط آزمایشگاهی” توسط آژانس های ایمنی مانند UL و CSA تست می شوند. شرایط آزمایشگاه تقریباً همیشه در دمای 25 درجه سانتیگراد یا 77 درجه فارنهایت تنظیم می شود. متأسفانه، بیشتر شرایط دنیای واقعی آنهایی نیستند که در آزمایشگاه یافت می شوند.

فیوزها دستگاه های حساس به حرارت هستند به این معنی که گرما را (از طریق جریان اضافه) می گیرد تا عنصر فیوز را در داخل فیوز ذوب کند. هر چه حرارت بیشتر باشد … سریعتر ذوب عنصر فیوز … حرارت کمتر … بیشتر طول می کشد تا عنصر فیوز ذوب شود.

اگر یک فیوز در معرض دمای بالاتر از 25 درجه سانتیگراد قرار گیرد، باید آمپر فیوز را افزایش داد تا دمای بالاتر جبران شود (برای جلوگیری از “سوختن مزاحم”). به همین ترتیب، اگر فیوز در دمای پایین تری استفاده شود، باید آمپر فیوز را کاهش داد (وگرنه ممکن است هرگز باز نشود).

قاعده کلی این است که به ازای هر 20 درجه سانتیگراد بالاتر یا پایین تر، فیوز باید 10-15٪ بیشتر یا کمتر شود.

نمونه ای از درجه بندی مجدد فیوز در صورت وجود دمای محیط بالاتر:

جریان پر بار معمولی: 1 آمپر
اندازه فیوز معمولی: 1.5 آمپر (135٪ جریان بار کامل به رتبه استاندارد بالاتر بعدی منتقل می شود)
دمای محیط: 65 درجه سانتی گراد
رتبه بندی مجدد: رتبه‌بندی مجدد:    2 آمپر (130 درصد فیوز معمولی)

برعکس، زمانی که فیوز برای استفاده در شرایط دمای بسیار پایین در نظر گرفته شده است، فیوز باید دارای امتیاز کمتری نسبت به شرایط عادی باشد.

نمونه ای از درجه بندی مجدد فیوز در صورت وجود دمای محیط پایین تر:

جریان پر بار معمولی: 1 آمپر
اندازه فیوز معمولی: 1.5  آمپر (135٪ جریان بار کامل به رتبه استاندارد بالاتر بعدی منتقل می شود)
دمای محیط:  -15 درجه سانتی گراد
رتبه بندی مجدد: 1.2 آمپر (70٪ از فیوزهای معمولی به رتبه فیوز استاندارد بالاتر بعدی می رسد)

جریان اتصال کوتاه موجود چقدر است؟

جریان اتصال کوتاه موجود، جریان اندازه‌گیری یا محاسبه‌شده‌ای است که می‌تواند در صورت وجود اتصال کوتاه توسط یک منبع تغذیه به مدار تحویل داده شود. این اطلاعات بسیار مهم است، زیرا یک وسیله حفاظتی بیش از حد جریان تنها توانایی محدودی برای باز کردن ایمن مدار در هنگام بروز مشکل دارد. بنابراین مقدار جریان خطای موجود، یک بخش مهم از اطلاعات به منظور انتخاب وسیله حفاظتی مناسب است.

محاسبه اتصال کوتاه موجود می تواند بسیار پیچیده باشد و به طور کلی باید برای محاسبه به مهندسان واجد شرایط واگذار شود. این محاسبات به طور کلی بر اساس عوامل زیر است:

  • چه مقدار جریان اتصال کوتاه از دستگاه برق در دسترس است؟
  • مقاومت سیم کشی برق تا قطعه ای که فیوز در آن نصب شده چقدر است؟
  • مقاومت داخلی قطعه ای که فیوز در آن نصب می شود چقدر است

هنگامی که همه این عوامل شناخته شدند، مهندس می تواند جریان اتصال کوتاه موجود به فیوز را محاسبه کند.

فیوز باید طوری انتخاب شود که دارای امتیاز اتصال کوتاه بیشتر از آنچه در مدار موجود است (در غیر این صورت فیوز می تواند منفجر شود و آسیب زیادی به افراد و تجهیزات وارد کند!)

حداکثر I²t مجاز چقدر است؟

همه دستگاه‌های محافظ جریان بیش از حد، زمانی که برای رفع خطای مدار باز می‌شوند، مقدار مشخصی «زمان واکنش» را می‌گیرند. در طول مدت زمانی که طول می کشد تا فیوز باز شود، انرژی در فیوز جریان دارد. این انرژی با واحد I²t اندازه گیری می شود. دو بخش در “زمان واکنش” فیوز وجود دارد.

1) مدت زمانی که طول می کشد تا عنصر فیوز ذوب شود (همچنین به عنوان زمان ذوب، Tm شناخته می شود)

2) مدت زمان خاموش کردن قوس الکتریکی (که به عنوان زمان قوس الکتریکی نیز شناخته می شود، Ta)

کل زمان باز شدن عیب به عنوان کل زمان پاکسازی شناخته می شود. Tc + Tm + Ta

در طول این زمان پاکسازی، انرژی در حال عبور از فیوز است. سپس اجزای پایین دست در هنگام عبور از فیوز (البته برای چند میلی ثانیه) در معرض این انرژی شدید قرار می گیرند.

به منظور تعیین فیوز یا قطع کننده مدار مناسب در یک مدار، مهندس باید توانایی های مقاومت اجزای مدار پایین دست را بداند و فیوزی را انتخاب کند که انرژی خروجی آن کمتر از آن قطعات باشد.

آیا جریان های «در جریان» در دسترس هستند؟

بسته به مدار، مواقعی وجود دارد که هنگام روشن شدن یک قطعه از تجهیزات، جریان زیادی مورد نیاز است. انواع قطعاتی که می توانند باعث این نوع راش شوند عبارتند از: موتور، فن و خازن.

جریان راش می تواند 6 تا 10 برابر جریان عادی باشد (به عنوان مثال یک تلویزیون معمولی ممکن است 3A بکشد اما جریان ورودی می تواند تا 30A باشد). این جریان ها معمولاً بی ضرر هستند و در عرض 1-2 ثانیه پس از راه اندازی فروکش می کنند.

در حین عجله، فیوز نباید باز شود. فیوز مشخص شده در این مورد باید فیوز تاخیر زمانی باشد که به قطعه تجهیزات اجازه می دهد به درستی بدون باز شدن مزاحم فیوز در هنگام وقوع جریان اضافه راه اندازی شود.

آیا دستگاه محافظ برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، حفاظت در برابر بار اضافی یا هر دو استفاده می شود؟

اگر قرار است از دستگاه به عنوان محافظ اتصال کوتاه استفاده شود، فیوز یا قطع کننده مدار باید به سرعت (معمولاً کمتر از 4 میلی ثانیه) عیب را قطع کند تا حداکثر حفاظت را برای تجهیزات و پرسنل ایجاد کند.

اگر فیوز یا قطع کننده مدار فقط برای محافظت در برابر بار اضافی در نظر گرفته شده باشد، در این صورت می تواند در واکنش به جریان بیش از حد بسیار کندتر باشد – ثانیه یا حتی دقیقه در مقایسه با میلی ثانیه…

همه فیوزها نوعی محافظت در برابر اتصال کوتاه و همچنین محافظت در برابر بار اضافی را ارائه می دهند، در حالی که بسیاری از قطع کننده های مدار فقط محافظت در برابر بار اضافی هستند و هیچ قابلیتی برای محافظت در برابر اتصال کوتاه خطرناک ندارند.

محدودیت های اندازه فیزیکی چیست؟

بسیاری از اوقات فیوز یا قطع کننده مدار باید در مکانی با محدودیت های اندازه فیزیکی نصب شود.

به همین دلیل است که سازندگان فیوز و قطع کننده مدار، مجموعه وسیعی از قطعات با اندازه های فیزیکی متفاوت را ایجاد کرده اند. با این حال، به طور معمول، مبادلاتی وجود دارد که مهندس باید در نظر بگیرد.

به طور کلی، هرچه فیوز کوچکتر باشد، جریان و/یا قابلیت های کمتری ممکن است فیوز یا کلید مدار داشته باشد. به عنوان مثال، یک فیوز کوچک ممکن است به 15 آمپر محدود شود، در حالی که فیوز لوله شیشه ای بزرگتر 1/4 اینچ x 1 1/4 اینچ می تواند تا 40 آمپر را در خود جای دهد.

علاوه بر این، اگرچه فیوز می تواند کوچکتر باشد، نگهدارنده فیوز مربوطه ممکن است به طور قابل توجهی بزرگتر باشد که به این توجه اضافه می کند.

آیا PCB روی سطح نصب می شود؟

چندین گزینه مختلف برای فیوزهای نصب سطحی و فیوزهای سوراخ دار وجود دارد.

با فیوزهای روی سطح، چندین اندازه از بسته بندی 6125 (6.1 x 2.5 میلی متر) تا بسته 0603 (0.6 x 0.3 میلی متر) در دسترس است.

گزینه‌های سوراخ‌دار با گزینه‌های سرب محوری که در تمام فیوزهای استاندارد شیشه‌ای و سرامیکی ما و همچنین انواع فیوزهای زیرمینیاتوری و میکرو سربی در دسترس هستند، بیشتر است.

همین گزینه ها در فیوزهای قابل تنظیم مجدد نیز موجود است.

علاوه بر این، نصب فیوز نیز می تواند در تصمیم طراحان نقش داشته باشد، به خصوص اگر فیوز نیاز به تعویض میدانی داشته باشد.

آیا فیوز باید “قابل تعویض در میدان” باشد؟

فیوزها برای باز کردن مدار در هنگام وقوع اضافه جریان در نظر گرفته شده اند. اتصال کوتاه یا اضافه بار. باید توسط مهندس تصمیم گیری شود که آیا فیوز باید در میدان قابل تعویض باشد یا خیر.

دلیل اصلی برای تعویض فیوز، راحتی کاربر نهایی در راه اندازی مجدد و راه اندازی مجدد تجهیزات است.

دلایل انتخاب عدم تعویض فیوز به دو صورت است:

در مقایسه با لحیم کردن مستقیم فیوز به PCB یا روی PCB، می‌تواند هزینه بسیار بیشتری برای سازنده داشته باشد تا فیوزهلدر را قرار دهد.

ممکن است سازنده بخواهد که مشتری نهایی به فضای داخلی تجهیزات برای تعویض فیوز برای مسائل مربوط به مسئولیت دسترسی نداشته باشد. این امر به ویژه زمانی صادق است که در وهله اول یک اتصال کوتاه علت مشکل باشد.

سازنده ممکن است برخی از قطعات خود را از رده خارج کند و ممکن است بخواهد کل برد مدار را جایگزین کند تا اینکه کسی فقط فیوز را جایگزین کند.

آیا تنظیم مجدد مشکلی دارد؟

فیوزهای یکبار مصرف و نوع فیوزهای قابل تنظیم مجدد در دسترس مهندس هستند.

هر دو نوع فیوز محافظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار را فراهم می کنند. فیوزهای قابل تنظیم مجدد به کاربردهای مداری کمتر از 9 آمپر (در 12 ولت) و حتی جریان کمتر در ولتاژهای بالاتر محدود می شوند.

کلیدهای مدار همچنین می توانند قابلیت تنظیم مجدد را فراهم کنند و می توانند از 1 آمپر تا 6000 آمپر متغیر باشند.

فیوزهای یکبار مصرف همان طور که از نامشان پیداست. هنگامی که از آنها خواسته می شود تا عمل کنند، پیوند داخلی ذوب می شود و فیوز باید تعویض شود. فقط به دلیل تعویض فیوز، همچنان ممکن است یک اتصال کوتاه یا اضافه بار در مدار وجود داشته باشد که می تواند باعث باز شدن فیوز تازه تعویض شده نیز شود. قبل از تعویض فیوز باز با فیوز جدید، باید مراقب باشید که هر مشکلی که ممکن است هنگام باز شدن فیوز در وهله اول رخ داده باشد، اصلاح شود.

چه مجوزهای آژانس ایمنی مورد نیاز است؟

یک الفبای کامل از آژانس های ایمنی در سراسر جهان وجود دارد. UL، CSA، IEC، CCC، PSE، VDE، Nemko، Semko و TUV برخی از محبوب ترین نمایندگی ها هستند.

تاییدیه های نمایندگی مورد نیاز تولیدکنندگان صرفا به نوع تجهیزاتی که آنها تولید می کنند و در کجای دنیا که امیدوارند تجهیزات خود را بفروشند بستگی دارد.

فیوزها معمولاً با چندین تأییدیه (به عنوان مثال UL و CSA) در دسترس هستند. حتی در یک آژانس واحد، می‌تواند چندین نوع تأییدیه مانند فهرست UL در مقابل شناسایی UL وجود داشته باشد. .

برخی تجهیزات نیازی به تاییدیه آژانس مانند بسیاری از کاربردهای خودرو یا ولتاژ پایین ندارند.

بزرگترین مسائل مربوط به تاییدیه های آژانس ایمنی برای فیوزها این است که چندین روش تست و استاندارد مختلف بسته به آژانس درگیر وجود دارد. این ممکن است به معنای دو ویژگی مختلف فیوز برای چیزی باشد که ظاهراً فیوز و/یا همان کاربرد است.

فیوز چگونه نصب خواهد شد؟

یکی از دقیق ترین ملاحظاتی که باید رعایت شود، نصب فیوز در مدار است. چندین گزینه در دست وجود دارد:

لحیم کاری مستقیم – در این روش، فیوز مستقیماً به برد مدار چاپی (PCB) یا روی آن لحیم می شود. اشکال این طراحی عدم وجود قطعات قابل تعویض میدانی است که با جزئیات زیاد در بخش 11 مورد بحث قرار گرفت، اما هزینه را می توان به طور قابل توجهی با این روش نصب کاهش داد.

گیره های فیوز – گیره های فیوز نسبتاً ارزان هستند و امکان تعویض در میدان را فراهم می کنند. گیره‌های فیوز معمولاً روی PCB نصب می‌شوند، بنابراین هرگونه تلاش برای تعویض فیوز مستلزم باز کردن قطعه توسط کاربر نهایی است. علاوه بر این، برداشتن فیوز از PCB بدون جدا کردن منبع تغذیه می تواند منجر به برق گرفتگی در هنگام لمس فیوز شود. گیره های فیوز برای همه فیوزهای “لوله ای” و همچنین میکروفیوزها موجود است. فیوزگیرها معمولاً به 15 آمپر جریان معمولی محدود می شوند. گیره های فیوز به طور کلی توسط هیچ سازمان ایمنی لیست نشده یا به رسمیت شناخته نمی شوند.

نگهدارنده فیوز روی پنل – فیوزه‌گیرهای پانل امکان دسترسی آسان کاربر نهایی را برای تعویض فیوز در میدان فراهم می‌کنند. فیوز نگهدارنده پنل در برابر ضربه ایمن است به این معنی که با برداشتن درپوش فیوز، فیوز با خیال راحت جدا می شود و از احتمال برق گرفتگی جلوگیری می کند. دارندگان فیوز معمولا توسط آژانس های ایمنی مانند UL و CSA تست و تایید می شوند. فیوزهولدرها معمولا تا 30 آمپر در دسترس هستند.

بلوک های فیوز – بلوک های فیوز مانند گیره های فیوز هستند اما نیازی به نصب روی PCB ندارند. فیوزهای نصب شده در بلوک‌های فیوز معمولاً تنها با باز کردن قطعه تجهیزات قابل دسترسی هستند که در صورت عدم قطع اتصال تجهیزات از منبع تغذیه، ممکن است منجر به شوک الکتریکی شود. بلوک های فیوز یکی از معدود روش ها برای نصب فیوزهای با آمپر زیاد هستند.

نگهدارنده فیوز درون خطی – نگهدارنده فیوز درون خطی معمولاً به عنوان بخشی از مجموعه مهار سیم یا جایی که هیچ سطحی برای محکم کردن نوع دیگری از پایه فیوز در دسترس نیست استفاده می شود. هولدرهای فیوز درون خطی معمولاً تا 100 آمپر در کاربردهای ولتاژ پایین و تا 30 آمپر در کاربردهای ولتاژ بالاتر در دسترس هستند.

ملاحظات هزینه چیست؟

ملاحظات هزینه بسته به اندازه، عملکرد و نصب فیوز می تواند چندین درجه متفاوت باشد. به طور کلی، هرچه فیوز بزرگتر باشد. بیشترین هزینه را خواهد داشت (به دلیل هزینه مواد بالاتر برای ساخت فیوز).

ویژگی های عملکرد یک فیوز خاص نیز در نظر گرفتن هزینه زیادی است. یک فیوز ولتاژ پایین خودرو ممکن است کسری از هزینه را در مقایسه با فیوز لوله سرامیکی 500 ولتی با سرعت بالای 10 آمپری داشته باشد.

تاییدیه های آژانس ایمنی نیز به هزینه کلی فیوز اضافه می کند.

یکی از بزرگترین هزینه های فیوز، نگهدارنده فیوز است. یک نگهدارنده فیوز معمولی روی پانل ممکن است بیش از 10 برابر قیمت خود فیوز باشد.

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

9 + 4 =