Понимание деталей работы и реализации предохранителей
В данной статье представлен обзор некоторых тонких, но важных аспектов функционирования и конструкции предохранителей.
Основы
Предохранитель представляет собой простой и эффективный способ защиты от опасных уровней тока:
- ток, протекающий через ненулевое сопротивление проводника, приводит к рассеиванию мощности;
- мощность рассеивается в виде тепла;
- тепло поднимает температуру проводника;
- если комбинация амплитуды и продолжительности тока достаточна для повышения температуры выше точки плавления предохранителя, предохранитель становится разрывом цепи, и поток тока прекращается.
Хотя основы работы предохранителя не сложны, но есть тонкие моменты, о которых следует помнить. Остальная часть данной статьи поможет вам понять некоторые важные детали, связанные с поведением и использованием предохранителей.
Тепло, а не ток
Предохранитель срабатывает не непосредственно по току; скорее, ток создает тепло, а тепло отключает предохранитель. Это на самом деле довольно важное различие, поскольку это означает, что на работу плавкого предохранителя влияет температура окружающей среды и временны́е характеристики тока.
Указанный номинальный ток предохранителя относится только к определенной температуре окружающей среды (обычно или, может быть, всегда, это 25°C), и, следовательно, вам необходимо учесть это при выборе предохранителя, если вы разрабатываете устройство, которое будет работать на открытом воздухе, скажем, в Антарктиде или Долине Смерти. На следующем рисунке показано, как температура окружающей среды влияет на фактический номинальный ток относительно указанного номинального тока при 25°C для трех типов предохранителей.
Что касается временны́х характеристик тока, проходящего через плавкий предохранитель, всё, что мы знаем, это то, что эффект тепла накапливается с течением времени (мгновенное касание горячей сковороды – ничто по сравнению с ее поднятием и осознанием того, насколько горячо, когда вы находитесь на полпути между плитой и обеденным столом). Следовательно, номинал тока предохранителя является упрощением его реального поведения. Мы не можем ожидать, что плавкий предохранитель будет реагировать на высокоамплитудные переходные процессы, поскольку кратковременность высокой рассеиваемой мощности не увеличивает температуру до значения, достаточного для отключения.
На следующем графике показаны временны́е характеристики для группы плавких предохранителей, изготовленных Panasonic. Номинальный ток находится вверху, а кривая представляет собой время, необходимое для отключения плавкого предохранителя в зависимости от величины тока, протекающего через предохранитель.
Как вы можете видеть, амплитуды тока при переходных процессах должны быть намного выше, чем номинальный ток. Например, вам нужно 3 ампера, чтобы отключить предохранитель на 0,5 ампера, если продолжительность перегрузки по току составляет всего 1 миллисекунду.
Подключайте их последовательно!
Я не буду останавливаться на этом вопросе, потому что это очень просто, но на всякий случай стоит упомянуть, если вы допоздна разрабатываете схему и находитесь в усталом состоянии, вы можете не заметить, что поместили предохранитель таким образом, что он, например, последовательно работает только с одним из двух стабилизаторов напряжения. Предохранитель не может защитить всё, что подключено параллельно ему.
Номинальный ток и рабочий ток
Было бы разумно предположить, что предохранитель, рассчитанный на 6 ампер, можно использовать в цепи, которая может постоянно потреблять 5 ампер. Однако оказывается, что это не очень хорошая практика при проектировании. Номинальный ток предохранителя не является сверхточной характеристикой, и, кроме того, (как обсуждалось выше) фактический ток отключения зависит от температуры окружающей среды. Следовательно, чтобы избежать «ложного срабатывания», у вас должен быть достаточно большой разрыв между ожидаемым вами, постоянно потребляемым током и номинальным током вашего предохранителя. Этот документ от Littelfuse предполагает «переоценку» на 25% (для работы при комнатной температуре); таким образом, предохранитель с номинальным током 10 ампер может использоваться, только если постоянный ток схемы будет оставаться ниже 7,5 ампер.
Вы должны быть разборчивы
Скажем, ваша схема включает в себя чувствительный компонент, который точно будет поврежден, если через него пойдет ток более 1 ампера. В нормальных условиях схема никогда не должна потреблять более 500 мА, поэтому вы включаете предохранитель с номиналом 900 мА. Это достаточно высоко, чтобы предотвратить ложное срабатывание, и достаточно низко, чтобы гарантировать, что через чувствительный компонент никогда не пойдет ток 1 ампер. Правильно?
Нет. Рассмотрим следующую спецификацию для предохранителей Panasonic, упомянутых в статье ранее:
| Ток срабатывания / время срабатывания (при 25°C) | Номинальный ток x 100% / 4 часа мин. |
|---|---|
| Номинальный ток x 200% / 5 секунд макс. | |
| Номинальный ток x 300% / 0,2 секунды макс. |
Мы уже обсуждали тот факт, что тепло требует времени для накопления, и в этом случае требует много времени: вам придется ждать не менее четырех часов, чтобы предохранитель отключился, когда ток равен номинальному значению, и даже при удвоенном номинальном токе задержка составляет до 5 секунд. Суть в том, что чувствительный компонент может поджариться задолго до того, как предохранитель отключится. Вам придется переосмыслить выбор вашего предохранителя или (и это, вероятно, более практичное решение в такой ситуации, как описанная выше) реализовать другой метод работы по защите от больших токов.
Не забывайте о напряжении
Предохранители разрабатываются так, чтобы у них было очень низкое сопротивление, поэтому они не оказывают чрезмерного влияния на цепи, которые защищают. Это низкое сопротивление означает, что падение напряжения на предохранителе будет очень маленьким. Почему же у предохранителей указывается номинальное напряжение?
Это правда, что во время нормальной работы на предохранителях падает небольшое напряжение, но номинальное напряжение не относится к нормальной работе. Номинальное напряжение скорее говорит нам, какое напряжение предохранитель может выдержать после того, как он сработал. Перегоревший предохранитель представляет собой разомкнутую цепь, и, если напряжения в этой разомкнутой цепи достаточно, чтобы вызвать искрение, на предохранитель полагаться нельзя.
Хорошей практикой является учитывание номинальных напряжений, если вы используете крошечные плавкие предохранители поверхностного монтажа, например, показанные ниже (обратите внимание, насколько тонким является реальный плавкий элемент). Например, номинал для предохранителя 0603 может составлять 32 вольта или даже 24 вольта.
Заключение
Мы рассмотрели некоторые интересные подробности о том, как работают предохранители, и как эффективно включать их в свои проекты. В следующей статье мы рассмотрим различные типы предохранителей.