Bezpieczniki, cz2.pdf

Listy od Piotra

Bezpieczniki

− niedoceniane elementy elektroniczne

W pierwszej części artykułu omówio−

ne były podstawowe zagadnienia

związane z bezpiecznikami. Drugi od−

cinek przeznaczony jest dla osób,

które chcą wiedzieć nieco więcej na

ten temat, zwłaszcza na temat dobie−

rania bezpiecznika do ochrony ele−

mentów półprzewodnikowych (tria−

ków, tyrystorów, diod) pracujących

w obwodach sieci energetycznej.

Nie będziemy się w to wgłębiać, bo temat

jest trudny, a podane informacje wcale go nie

wyczerpują – podawana w katalogach war−

tość I 2 t zwykle dotyczy tylko czasu przedłu−

kowego, czyli od chwili zwarcia do zapłonu

łuku. Tymczasem w obliczeniach należałoby

wziąć pod uwagę również wartość I 2 tzwią−

zaną z łukiem, a ta zależy od kilku czynni−

ków, między innymi od spodziewanego prą−

du zwarciowego oraz napięcia pracy.

zwarciowy sieci oraz ze względu na przepię−

cia. Przepięcia to mało znane zagrożenie po−

jawiające się w chwili zwarcia i zadziałania

bezpiecznika.

Skąd biorą się te przepięcia?

Przede wszystkim trzeba pamiętać, że sieć

energetyczna, a także każdy obwód zasilający

mają jakąś indukcyjność. Jeśli występuje in−

dukcyjność, przepięcia będą się pojawiać przy

każdej gwałtownej zmianie prądu, zarówno

przy prądzie stałym, jak i zmiennym. Rysu−

nek 3 pokazuje w uproszczeniu sytuację przy

przerywaniu obwodu prądu stałego, gdzie wy−

łącznik F reprezentuje przepalający się bez−

piecznik, przerywający przepływ prądu.

W chwili przerwania prądu na cewce pojawia

się potężny impuls napięcia samoindukcji.

Choć przy prądzie zmiennym sytuacja jest

nieco inna, trzeba się spodziewać, że w chwili

zadziałania bezpiecznika, czyli w chwili prze−

rwania prądu zwarcia, też pojawi się przepięcie.

Bliższe zapoznanie się z tym tematem przy−

nosi kilka zaskakujących szczegółów i wskazu−

je, że sytuacja daleko odbiega od tej z upro−

szczonego modelu z rysunku 3. Rysunek 4 po−

kazuje przebiegi napięcia i prądu w warunkach

zwarcia szybkiego bezpiecznika, który jest

w stanie rozłączyć obwód w czasie poniżej

10ms, czyli krótszym niż jeden półokres napię−

cia sieci energetycznej. Przerywana linia niebie−

ska pokazuje przebieg napięcia sieci 220V.

Czerwona linia pokazuje przebieg napięcia na

przepalającym się bezpieczniku. Przed wystą−

pieniem zwarcia napięcie na bezpieczniku jest

pomijalnie małe. Załóżmy, że zwarcie wystąpi 1

milisekundę po przejściu napięcia sieci przez

zero. Na rysunku 4 jest to chwila t 0 . Tuż po

zwarciu, w czasie t 0 ...t 1 w obwodzie zaczyna

gwałtownie rosnąć prąd. Rośnie on według za−

znaczonego fioletową linią spodziewanego prą−

du zwarcia. Tak duży prąd powoduje stosunko−

wo duży spadek napięcia na druciku topikowym

bezpiecznika. Szybkość narastania prądu zależy

od indukcyjności sieci oraz od jej „wydajności”.

Spodziewane prądy zwarciowe w sieci energe−

tycznej mogą wynosić ponad 1000A.

W krótkim czasie (na rysunku 3 około

1,5ms) prąd ten spowoduje rozgrzanie do bar−

dzo wysokiej temperatury i stopienie drucika.

Niestety, obwód wcale nie zostanie przerwany.

Zapali się bowiem łuk elektryczny. Oporność

tego łuku jest znacznie większa niż wcześniej

istniejącego drucika, co odpowiada włączeniu

w obwód znacznej rezystancji. Przy znacznie

większej rezystancji obwodu prąd powinien

Całka Joule’a

W pierwszej części artykułu podane były

charakterystyki czasowo−prądowe wkładek

topikowych. Z charakterystyk wynika, że

czym większy prąd, tym czas przerywania

obwodu jest krótszy. Obowiązuje tu prosta

zależność matematyczna. Wynika ona z fak−

tu, że do zadziałania bezpiecznika potrzebna

jest odpowiednia ilość energii cieplnej. Cie−

pło to powstaje podczas przepływu prądu

przez rezystancję bezpiecznika – jest to tak

zwane ciepło Joule’a (czyt. dżula). Powstają−

cą ilość ciepła określa znany ze szkoły wzór:

E= (I 2 R) * t

Jeśli przyjmiemy, że energia E potrzebna

do stopienia drucika oraz rezystancja drucika

są stałe, możemy podać dla każdego bez−

piecznika charakterystyczną wartość iloczynu

I 2 t. Ponieważ w rzeczywistych warunkach,

zwłaszcza podczas zwarcia, prąd zmienia swą

wartość, prąd należałoby całkować w czasie.

Parametr I 2 t nazywany jest całką Joule’a i po−

daje się w katalogach. Czym większa wartość

I 2 t, tym trudniej spalić dany bezpiecznik.

Znając wartość I 2 t oraz prąd, można obli−

czyć czas zadziałania. Obliczeń takich w prak−

tyce się nie wykonuje. Jednak, wbrew pozo−

rom, wartość całki Joule’a jest przydatna.

Jak wspomniałem, jest to parametr określa−

jący „łatwość spalenia bezpiecznika”. Co bar−

dzo istotne, parametr ten dotyczy także innych

elementów, na przykład diody, triaka czy tyry−

stora. Co więcej, w katalogach diod, triaków

i tyrystorów, zwłaszcza tych przeznaczonych

do pracy w obwodach sieci energetycznej, po−

daje się wartość I 2 t tych elementów.

I tu doszliśmy do zagadnienia praktyczne−

go. Aby bezpiecznik uchronił przed uszko−

dzeniem element półprzewodnikowy, war−

tość I 2 t bezpiecznika musi być mniejsza od

wartości I 2 t chronionego elementu półprze−

wodnikowego. Jest to pierwszy warunek do

spełnienia przy doborze bezpiecznika do

ochrony elementu półprzewodnikowego.

Zwarcie

Potoczne wyobrażenia roli i działania bez−

piecznika zupełnie bezpodstawnie podpowia−

dają, że w chwili zwarcia bezpiecznik zadzia−

ła bardzo szybko i ograniczy prąd do warto−

ści bezpiecznej dla elementu półprzewodni−

kowego. Zazwyczaj tak nie jest, a ponieważ

w grę wchodzą dodatkowe zjawiska, warto

przyjrzeć się problemowi z bliska.

Jak mówiliśmy przed miesiącem, w każdym

obwodzie, w tym w sieci energetycznej, może−

my mówić o spodziewanym prądzie zwarcia.

Zazwyczaj jest on bardzo duży, wynosi setki

i tysiące amperów. Taki prąd, nawet płynąc

przez krótki czas, niewątpliwie stanowi śmier−

telne zagrożenie dla elementów półprzewodni−

kowych. Rysunek 2 pokazuje przykład obwo−

du, gdzie może wystąpić tak groźne zwarcie.

Rys. 2

Przy okazji drobne wyjaśnienie. Na zagra−

nicznych schematach bezpiecznik często ozna−

czany jest literą F, jak na rysunku 2. Nie znaczy

to, że ma to być szybki bezpiecznik typu F. Li−

tera F na schematach pochodzi od angielskiego

Fuse i po prostu oznacza bezpiecznik. Nie ma

żadnego związku z rodzajem tego bezpiecznika.

W układzie z rysunku 2 zastosowany bez−

piecznik powinien ograniczyć maksymalny

prąd do wartości, która nie uszkodzi elementu

półprzewodnikowego, w tym wypadku triaka.

Nie jest to jednak takie proste, między in−

nymi ze względu na duży spodziewany prąd

102

Elektronika dla Wszystkich

Listy od Piotra

gwałtownie zmniejszyć swą wartość. Nie po−

zwala na to indukcyjność sieci. Jak wiadomo,

„indukcyjność nie znosi zmian prądu” − przy

próbie zmiany wartości prądu powstaje prze−

pięcie (napięcie samoindukcji), które próbuje

utrzymać wcześniejszą wartość prądu. Ponie−

waż prąd zdążył narosnąć do wartości kilkuset

amperów, a rezystancja łuku jest znacznie

większa od rezystancji drucika, szczytowa

wartość przepięcia, próbującego podtrzymać

przepływ tak dużego prądu, może wynosić na−

wet kilka kilowoltów. Powstałe przepięcie

podtrzymuje łuk, niemniej prąd maleje dość

szybko. W chwili t 2 napięcie i prąd są na tyle

małe, że łuk gaśnie. Tym razem prąd gwałtow−

nie maleje do zera. Powoduje to powstanie

drugiego przepięcia, którego szczytowa war−

tość jest zdecydowanie mniejsza niż pierwsze−

go, a to ze względu na mniejszą wartość prądu.

W przypadku tego bezpiecznika rozłącze−

nie nastąpiło szybko, w czasie poniżej 10ms.

Inny bezpiecznik w innych warunkach pracy

(inna indukcyjność, inny prąd zwarcia) rozłą−

czyłby obwód po dużo dłuższym czasie,

a w skrajnych warunkach nie rozłączyłby wca−

le, bo łuk mógłby się utrzymywać na stałe.

tudzie ponad dwóch kilowoltów. Przepięcie

to pojawi się na elementach obwodu i z pew−

nością uszkodzi umieszczony w obwodzie

element półprzewodnikowy (triak).

To kolejna przykra niespodzianka – przy−

czyną uszkodzenia półprzewodnika wcale

nie musi być prąd, może nią być przepięcie

powstające w chwili zadziałania bezpieczni−

ka . Mało tego, powstające przepięcie może

uszkodzić inne, podobne elementy umie−

szczone w tej gałęzi sieci .

Właśnie dlatego do ochrony elementów pół−

przewodnikowych, zwłaszcza przy większych

mocach, stosuje się dodatkowe środki zaradcze

oraz bezpieczniki specjalnej konstrukcji, tak

zwane bezpieczniki półprzewodnikowe. Nie

znaczy to, że zawierają półprzewodniki − służą

one do ochrony półprzewodników.

Rysunek 5 pokazuje przebiegi napięcia

i prądu w przypadku zastosowania specjalnego

bezpiecznika półprzewodnikowego. Dzięki spe−

cjalnej konstrukcji (m.in. przewężeniom druci−

ka, a właściwie paska topikowego) łuk zapala

się jeszcze szybciej, ale nie od razu na całej dłu−

gości drucika. Zwiększająca się stopniowo rezy−

stancja łuku powoduje przepięcie o wartości

znacznie mniejszej niż poprzednio. Ostatecznie

proces wyłączenia jest jeszcze szybszy, a po−

wstające przepięcia – znacznie mniejsze.

Podane właśnie informacje nadal nie wy−

czerpują tematu. Więcej materiału zawierają

artykuły w EP 4/95, 7/95, 8/95 i 9/95 z cyklu

Notatnik Praktyka. Zainteresowani powinni

szukać dodatkowych szczegółów w literatu−

rze specjalistycznej i katalogach firmowych.

Pozostali mogą przygotować się na ewentu−

alną wymianę elementów i pozostać przy

podanych wcześniej wnioskach, że skuteczne

zabezpieczenie elementów półprzewodniko−

wych przed zwarciem jest w warunkach ama−

torskich niemal niemożliwe.

średnio szybkie, T –

opóźnione, TT – zwłocz−

ne. Charakterystyki czaso−

wo−prądowe pokazane są

w uproszczeniu na rysun−

ku 6 . Poszczególne kraje

i organizacje wprowadziły

jeszcze inny sposób

podziału. Charakterystyki jak na rysunku 1

(w poprzednim numerze EdW) niewiele

mówią o zdolności wyłączania prądów zwar−

ciowych i przydatności do poszczególnych

zastosowań. Profesjonalni konstruktorzy pro−

jektujący zabezpieczenia muszą więc sięgnąć

do szczegółowych firmowych katalogów.

Wiele cennych danych można znaleźć

także w zbiorczych katalogach firm handlo−

wych, na przykład w bardzo przydatnym ka−

talogu firmy ELFA, gdzie podane są podsta−

wowe dane wielu bezpieczników. Fotografie

na tej stronie pokazują kilka typów bezpiecz−

ników z oferty tej firmy.

Piotr Górecki

Ciąg dalszy za miesiąc

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 6

Obecna sytuacja

W kraju od lat produkowano (krakowska

Elektrotechniczna Spółdzielnia Pracy SPEL)

wkładki topikowe oznaczane WTA(Wkładka

Topikowa Aparatowa) zwłoczne i szybkie –

WTA−T oraz WTA. W nielicznych urządze−

niach zawierających triaki i tyrystory stoso−

wano bezpieczniki WTA−G (ściślej WTA−

FG), które można było poznać po gasiwie –

piasku znajdującym się wewnątrz rurki.

Oprócz tych wkładek o standardowych wy−

miarach 5x20mm, w kraju produkowane by−

ły inne bezpieczniki, między innymi dla tele−

komunikacji czy do ochrony półprzewodni−

ków (rodzina Btp). Obecnie w ofercie rynko−

wej można spotkać wiele bezpieczników za−

granicznych o różnych parametrach. Według

standardu IEC rozróżnia się nie dwa rodzaje

wkładek (T− zwłoczne i F – szybkie), tylko

pięć: FF –bardzo szybkie, F – szybkie, M −

Przepięcia

Czerwona linia na rysunku 4,

pokazująca przebieg napięcia

na bezpieczniku udowadnia, że

nie ma się z czego cieszyć.

Wprawdzie bezpiecznik nie po−

zwolił, by prąd wzrósł do pełne−

go spodziewanego prądu zwarcia, jednak

prąd i tak zdążył narosnąć do zatrważającej

wartości kilkuset amperów, a co gorsza, po−

wstało przy tym ogromne przepięcie o ampli−

Elektronika dla Wszystkich

103

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: