Почему предохранители горят при определенном токе?

Обычно мы указываем максимальный ток, который проводник (например, плавкий предохранитель) может обрабатывать без горения. Но разве проводник действительно не выходит из строя, когда определенное количество энергии / тепла рассеивается в проводнике? Тогда проводник находится при слишком высокой температуре и горит / плавится.

Допустим, у меня есть предохранитель, рассчитанный на 10А. Почему же тогда я могу непрерывно эксплуатировать плавкий предохранитель при более низком токе, например, 9 А, и не перегорая, а чуть позже?

Мы также знаем, что мощность, напряжение и ток связаны законом Ома. Поэтому, если у нас есть предохранитель на 10 А, и он имеет какое-то произвольное сопротивление, например, 100 Ом, почему бы нам не назвать его предохранителем на 1 кВ (10 А * 100 Ом) или предохранителем на 10 кВт (10 А * 10 А * 100 Ом)? Эти цифры совершенно произвольны, поэтому я знаю, что они не отражают реальность, но они ясно показывают мою точку зрения.

Так что, если у нас есть предохранитель на 10 А, и он имеет какое-то произвольное сопротивление, например, 100 Ом, ...

Этот типовой предохранитель на 10 А имеет сопротивление 5 мОм. Таким образом, ваше предположение было опущено примерно в 20 000 раз. При 10 A рассеиваемая мощность определяется как $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

СОПРОТИВЛЕНИЕ: Сопротивление плавкого предохранителя обычно является незначительной частью полного сопротивления цепи. Поскольку сопротивление предохранителей с дробной силой тока может составлять несколько кОм, этот факт следует учитывать при их использовании в цепях низкого напряжения. Актуальные значения можно получить, связавшись с Littelfuse. Источник: Littlefuse Fuseology Application Guide (который стоит прочитать).

Причиной более высокого сопротивления в плавких предохранителях на ампер является то, что длина провода плавкого предохранителя примерно такая же, как у версии на 10 А, но для того, чтобы дуть, например, 100 мА, она должна быть намного тоньше. Предохранитель на 100 мА может защищать цепь, обычно потребляющую, скажем, 50 мА. Если сопротивление плавкого предохранителя составляло 1 Ом, то при эксплуатации его падение составляло бы 50 мВ.

Требуемый диаметр предохранительного провода можно рассчитать по

... почему бы нам не назвать его предохранителем 1 кВ (10 А * 100 Ом) или предохранителем 10 кВт (10 А * 10 А * 100 Ом)?

Потому что это устройство защиты от перегрузки по току . Предохранители уже имеют номинальное напряжение, что означает что-то совершенно другое. См. ниже.

Предохранитель нуждается в нескольких номиналах:

• Ток (который я считаю достаточно очевидным).
• Номинальное напряжение предохранителя. Это определяет максимальное напряжение, которое оно может надежно отключить без образования и поддержания внутренней дуги.
• Временной рейтинг - как быстро он будет дуть.

Статья Littlefuse охватывает все это очень подробно, поэтому нет необходимости воспроизводить ее здесь.

1. Проводник выходит из строя, когда он достигает определенной температуры. Поскольку предохранитель находится в тепловом контакте с окружающей средой, он может рассеивать определенное количество энергии, прежде чем он перегорит.
2. Ваш предохранитель на 10 А рассчитан на 10 А (плюс или минус некоторый допуск). Так что он должен работать на 9А весь день.
   • Но этот плавкий предохранитель на 10 А сработает в течение длительного времени на 10 А, и на 20 А сгорит намного быстрее, и может плохо работать, если вы протолкните 100 А через него. Есть целая, в основном заброшенная наука к взрывателям.
   • И если вы запустите этот предохранитель на 10 А при 9 А или 9,8 А в течение всего дня, он будет нагреваться и медленно разлагаться.
   • Все это означает, что если действительно важно, насколько быстро он дует или как долго он длится, вам нужно поговорить с производителем предохранителей.
3. Предохранители рассчитаны в амперах, потому что это то, о чем заботятся большинство людей, устанавливающих предохранители. Идеальный предохранитель на 10 А не пропускает напряжения и не дует и не разрушается даже при наноусилителе ниже 10 А, но сгорает немедленно (или после четко определенного времени) выше этого. Идеальных предохранителей не существует.
4. Пока вы обдумываете все это, вы можете выкопать некоторые листы предохранителей и посмотреть . Хорошие компании (Bussman, Littlefuse и т. Д.) Указывают это - и есть такие вещи, как плавкие предохранители с медленным выдувом, которые предназначены для временной перегрузки, и быстрые предохранители, которые предназначены для более быстрого реагирования, чем «обычные» предохранители. Если предохранитель должен реагировать нестандартно и критично, его разработка может стать настоящим инженерным заданием.

Обычно предохранитель не знает, в какой цепи напряжения он используется - он знает только ток, протекающий через него, так что это единственное, что может вызвать его перегорание.

Предохранители также имеют номинальное напряжение, потому что, как только предохранитель перегорел, он будет иметь полное напряжение цепи, поэтому он должен быть спроектирован так, чтобы безопасно выдерживать это напряжение без искрения.

Спросите себя: какова цель предохранителя?

1. Ограничить напряжение на предохранителе? Нет, это бессмысленно.
2. Ограничить мощность, внутренне рассеивающую предохранитель? Нет, это тоже бессмысленно.
3. Ограничить ток, идущий через предохранитель? Удивительно, но нет! Работа предохранителя не в том, чтобы защитить себя от чего-либо. Работа предохранителя заключается в защите груза. Итак, предположим, что вам небезразличен ток в нагрузке, тогда вам будет важен только ток, на который перегорает предохранитель, как вторичная проблема, поскольку токи нагрузки и предохранителя оказываются одинаковыми
4. Ограничить напряжение в нагрузке? Можно утверждать, что да, но есть проблемы с предохранителями, которые будут обсуждаться ниже.
5. Ограничить мощность в нагрузке? Можно утверждать, что да, но есть проблемы с предохранителями, которые будут обсуждаться ниже.
6. Ограничить ток в нагрузке? Да! Конечной целью предохранителя является защита груза. Я расскажу, почему ток более действителен, чем напряжение или мощность в № 4 или № 5

Нагрузка король. Предохранитель не предназначен для того, чтобы перегорать только ради себя. Предохранитель предназначен для защиты груза. Вы пропускаете лес за деревьями, если все, на чем вы сосредоточены - это когда перегорает предохранитель. В конце концов, меня не волнует, какое напряжение на предохранителе или какая мощность рассеивается при его перегорании. Что меня волнует, так это ток через нагрузку, когда плавкий предохранитель перегорает (и, соответственно, ток в предохранителе, когда он перегорает).

Вы можете утверждать, что это ограничивает мощность в НАГРУЗКЕ или напряжение в НАГРУЗКЕ, но вы не можете оценивать предохранители на основе мощности нагрузки или напряжения, потому что эти числа зависят от самой нагрузки. Другими словами, это означает, что предохранитель не может быть рассчитан таким образом, не зная точно характеристики нагрузки, с которой он используется.

В более строгих терминах это связано с тем, что положение предохранителя в цепи не позволяет ему наблюдать мощность или напряжение на нагрузке. Он может наблюдать только ток, идущий на нагрузку. Конечно, предохранитель может наблюдать собственное падение напряжения или рассеиваемую мощность в своем положении в цепи, но мы уже установили, что это не имеет отношения к защите системы.

Если вы дадите мне плавкий предохранитель, рассчитанный с использованием напряжения или ватт на нем, мне придется пройти ряд ненужных вычислений, учитывающих характеристики моей нагрузки, просто чтобы выяснить, будет ли ток, на который перегорает предохранитель, защищать нагрузка от перегрузки по току, перенапряжения или перегрузки.

Важным моментом для понимания является материал, из которого сделаны предохранительные провода. Это простой, простой металл. Тем не менее, металл обладает свойством быть холодным проводником : если вы нагреваете провод, он становится все меньше и меньше проводником, а больше - резистором.

Теперь, если у вас есть предохранитель, который работает ниже своего предела тока, он превращает небольшую часть электрической энергии в тепло, которое быстро рассеивается, и провод остается холодным. Соответственно, он имеет очень низкое сопротивление, поэтому на предохранитель падает только небольшое количество напряжения.

Когда ток через предохранитель поднимается выше порогового значения, провод предохранителя нагревается. Это означает, что его сопротивление возрастает, большая часть напряжения падает на предохранитель и, таким образом, превращает больше электричества в тепло.Нагрев в проводе предохранителя вызывает выделение большего количества тепла . Это процесс самоусиления, и поскольку имеется столько доступной электрической энергии, которая просто протекала через предохранитель, когда он был холодным, горячий предохранитель может потреблять много энергии от тока даже до значительного воздействия на напряжение на приборе. ,

Из-за этого процесса самоусиливающегося нагрева предохранитель быстро перегревается, тормозя цепь.

Это правда, что плавкий проводник нагревается в ответ на ток, протекающий через него. Сам провод спроектирован так, чтобы рассеивать это тепло за счет теплопроводности в окружающую среду, поэтому плавкий предохранитель не плавится, пока мощность, рассеиваемая в нем, не превысит способность провода отводить это тепло. Затем тепло нарастает до точки, где плавкий провод плавится. Путь добавления массы к проводу, его тепловое постоянное время увеличивается , который дает возможность для того , чтобы обрабатывать краткие всплески overcurrent- , что приводит к SLO-BLO предохранителя.

Но разве проводник действительно не выходит из строя, когда определенное количество энергии / тепла рассеивается в проводнике? Тогда проводник находится при слишком высокой температуре и горит / плавится. [...] Почему же я могу непрерывно эксплуатировать плавкий предохранитель при более низком токе, например, 9А, и не перегорая, но чуть позже?

Неважно, сколько энергии было рассеяно в предохранителе. Имеет значение скорость, с которой энергия рассеивается в предохранителе (это мощность - I ² R) по сравнению со скоростью, с которой энергия рассеивается из плавкого предохранителя посредством излучаемого тепла и теплопроводности.

Когда энергия поступает в предохранитель быстрее, чем выходит, предохранитель нагревается. Однако, когда предохранитель нагревается, скорость, с которой энергия рассеивается из предохранителя, увеличивается. Температура будет увеличиваться до тех пор, пока тепловая мощность, вытекающая из предохранителя, не будет соответствовать входящей тепловой мощности (I ² R).

Таким образом, предохранитель быстро достигнет равновесной температуры, которая определяется током. Когда эта температура слишком высокая, предохранитель перегорит.

В зависимости от материала плавкого предохранителя, он может взорваться, когда равновесная температура достигнет точки плавления материала, или взорваться от теплового убегания, о котором @cmaster упоминает в своем ответе. В тот момент, повышение температуры в блоке предохранителей увеличивает мощность в быстрее , чем это увеличивает мощность вне , и равновесие теряется.

Предохранители рассчитаны на рабочий ток . Предохранитель на 10 А не будет перегорать (или «медленно разлагаться») при 9 А, или даже 10 А. То, что он обозначен 10А, означает, что производитель гарантирует, что он будет работать так, как ожидается, если вы не превысите рейтинг.

Очевидно, это означает, что предохранитель на 10 А не перегорит в тот момент, когда вы превысите 10 А. На самом деле, если вы посмотрите в таблице , вы увидите, что вам нужно что-то вроде 20 А, чтобы вообще перегореть предохранитель на 10 А, и, возможно, 30 + А, если вы хотите, чтобы это произошло достаточно быстро.

Плавкие предохранители также имеют номинальное падение напряжения, для того, чтобы взорвать кусок провода, вам нужны и ток, и напряжение. Но поскольку конечные пользователи обычно хотят получить точный номинальный ток, производители не точно измеряют падение напряжения и предоставляют для него только типичное / максимальное значение. Представьте, что я говорю вам, что у меня есть предохранитель на 150 мВ / 5 МОм: как вы думаете, этого будет достаточно для защиты, например, от сети 1 кВт? Вам нужно узнать текущий рейтинг, чтобы рассказать.