Каждый из нас примерно понимает, зачем нужен предохранитель и как его выбрать. Мы все когда-либо были рассержены или разочарованы перегоревшим предохранителем. Иногда нам хотелось бы, чтобы в наших цепях не было такого компонента. С появлением в 1800-х годах электрического распределения плавкие вставки стали важным средством предотвращения пожаров. Электронные системы нуждаются в них по той же причине, плюс плавкие вставки защищают дорогостоящие компоненты электрических систем. Электронные системы имеют те же проблемы с огнем, что и электрические.
Какой-то мастер придумал фразу: «Транзистор за двадцать долларов всегда сгорит, чтобы защитить предохранитель за десять центов». Предохранитель не предназначен для защиты транзистора. Он был бы еще менее подходящим для защиты лазерного диода, так как плавкие вставки разрушаются с помощью нескольких наносекунд перегрузки по току.
Предохранители идеально подходят для защиты проводов и дорожек печатных плат от расплавления и возгорания. Это может произойти, когда возникают контакты между проводами из-за поврежденной изоляции или магнитного провода, который закорочен из-за вибрации и сокращений под действием переменного магнитного поля. Другая распространенная неисправность связана с электролитическими и танталовыми конденсаторами, которые могут выйти из строя при коротком замыкании.
Вместо того, чтобы рассчитывать на плавкую вставку для защиты электронных компонентов вашего изделия, вы можете питать разрабатываемую вами цепь от лабораторного источника питания и устанавливать ограничение на выходной ток. Вы можете установить ток источника питания меньше того, который расплавил бы провода или разрушил p-n переходы внутри транзистора или интегральной микросхемы IC. Тогда ваша испытательная схема просто нагреется (в случае неправильной сборки или ошибки в расчетах), а не взорвется. После того, как все заработало, вы можете добавить предохранитель.
Необходимость в предохранителе
Все, что питается от источника с малым внутренним сопротивлением, нуждается в предохранителе. Это может быть электроприбор, который подключается к розетке или питается от батареи, или который работает от генератора переменного тока в вашем автомобиле. Источник с низким импедансом способен обеспечить достаточный ток для плавления токопроводящих частей и возникновения пожара (рисунок ниже). Лаборатории страховых компаний были созданы для снижения вероятности возникновения пожара и, как следствие, предотвратить страховые выплаты. Предохранитель может защитить людей от короткого замыкания на корпус, а также защитить электроприбор от возгорания.
Выберите пакет предохранителей
Ваше приложение будет определять тип предохранителя, который вы будете использовать. Вам может понадобиться высоковольтный предохранитель. Если ваш продукт в основном продается в США, то уместным является стандарт, как правило, 1/4 дюйма (3.5 см). В Европе более распространен стеклянный предохранитель размером 5 × 20 мм. Для автомобильных приложений предохранители с лезвийными выводами используются во всем мире. В промышленных электрошкафах вы можете наблюдать промышленный тип предохранителей. Если вы защищаете дорожки печатной платы, идеально подходят предохранители для поверхностного монтажа (рисунок ниже).
Часто достаточно просто нужно посмотреть на продукты, похожие на ваши, и узнать, какой предохранитель они использовали. Это может существенно помочь определится с выбором.
Оценка скорости срабатывания предохранителя
После того, как вы выбрали комплект предохранителей, возможно, в связи с этими усилиями вам следует удостоверится, что скорость срабатывания плавкой вставки соответствует требованиям вашего приложения. Быстродействующий предохранитель сгорит быстро, прежде чем провода или дорожки печатной платы успеют нагреться. Тем не менее, быстрое перегорание может стать причиной неприятного сбоя из-за кратковременной перегрузки.
Лампы накаливания, ёмкостная нагрузка, а также линейные и импульсные источники питания имеют большой импульс тока при включении. Задача немного усложняется в отношении нагрузок, питаемых от сети переменного тока, так как при включении бросок переменного тока может быть менее серьезным, если момент включения совпадет с моментом перехода напряжения через нуль. Вы должны также учитывать условие, когда вы подключаете питание в момент амплитудного значения напряжения. Это создаст хоть и короткий, но значительный импульс тока, который может сжечь плавкую вставку.
Запас тока предохранителя
При разработке ультрафиолетового ластика для пластин UVPROM в полупроводниковой машине возникла следующая ситуация. Известно, что если плавкая вставка сработала, то означало серьезную поломку оборудования. Все должно работать хорошо. Но ошибка состояла в том, что ток срабатывания плавкой вставки был подобран слишком близко к ожидаемой нагрузке высоковольтного линейного трансформатора.
Данная система отлично зарекомендовала себя в лаборатории, но когда машина была запущена в реальный рабочий процесс с питанием от сети 50 Гц переменного тока, всплыли нюансы. Они были связаны с более низкой частотой, что приводило к большим потерям в трансформаторе и потреблению им большего тока. Запас по току оказался слишком маленьким, что привело практически к мгновенному перегоранию предохранителя. К счастью, использовались европейские предохранители 5х20 мм, поэтому замена их на более мощные не составила большого труда.
Вместо установки более мощных предохранителей непосредственно на печатной плате руководством было принято решение вынести их на держатели в отдельную коробку. Это значительно усложнило монтаж схемы и добавило дополнительные расходы на материалы, но скорость замены предохранителя, таким образом, возросла. Кто был прав в этой ситуации разработчик или менеджер трудно сейчас сказать.
Также не стоит забывать о пусковых характеристиках электрооборудования, для которого и подбирается предохранитель. Ведь если вы выберете плавкую вставку, рассчитанную на максимальный ток устройства, но по пусковым характеристикам этот максимальный ток никогда не будет использован в рабочем цикле — не стоит выбирать предохранитель на максимальный ток. Исследуйте рабочий цикл устройства и делайте выбор оборудования исходя из него.
Все это говорит о том, что вы должны выбирать предохранитель, исходя из того, что бы он перегорел при рассчитанной перегрузке, а не просто на 10% выше рабочего тока. Измерьте рабочий ток при любых условиях работы и при любой температуре, если это необходимо. Поймите, что любая система питания с шиной постоянного тока будет иметь большой пусковой ток при первом включении. Предохранитель должен выдерживать это, даже если ребенок несколько раз щелкнет выключателем за несколько секунд.
Вполне возможно, что ваш номинальный ток предохранителя увеличится вдвое или даже в 10 раз по сравнению с рабочим током после проведения расчетов и испытаний. Ваша работа заключается в устранении ложных срабатываний плавкой вставки, при этом убедитесь, что любой сбой или короткое замыкание спалят предохранитель, прежде чем начнется пожар. Как отмечалось выше, вы можете попробовать медленно перегорающий предохранитель, чтобы обойти проблему пускового тока и при этом защитить схему от возгорания.
Выводы
Чтобы ваша цепь не расплавилась и не загорелась, никогда не помешает установить предохранитель на входе. Для больших электролитических конденсаторов в некоторых недорогих потребительских товарах токоведущие дорожки печатных плат имеют меньший размер, поэтому при замыкании конденсатора дорожки на печатной плате плавятся, служа плавким предохранителем. Однако это не лучшее решение, поскольку медь имеет высокий температурный коэффициент, а процесс изготовления печатной платы не контролирует потребности вашего временного медного предохранителя.
Вам лучше установить небольшие предохранители для поверхностного монтажа, которые работают более предсказуемо. Таким образом, когда техник заменяет «пробитые» электролитические конденсаторы, он или она может припаять новый предохранитель. При быстрой доставке конденсаторы и предохранители можно заказать во время обеда, и они прибудут в 10:00 на следующий день. А еще лучше, что не будет следов расплавленного металла на печатной плате (PCB). Если их отремонтировать с помощью шинного провода, то ток плавления будет слишком велик, и продукт может загореться при следующем пробое электролитического конденсатора.
