چگونه یک فیوز انتخاب کنیم؟ (عوامل موثر بر انتخاب فیوز مناسب

چگونه یک فیوز انتخاب کنیم؟

اگرچه در طراحی صحیح مدارهای الکتریکی و الکترونیکی دقت زیادی می‌شود، اما گاهی جریان‌های اضافی به شکل اتصال کوتاه و اضافه بار می‌توانند رخ دهند.

تنها هدف فیوزها و قطع کننده‌های مدار، محافظت از پرسنل و یا تجهیزات در برابر آسیب جدی در هنگام بروز شرایط اضافه جریان است.

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

این مقاله درک اولیه‌ای از اصول و کاربردهای اضافه جریان ایجاد می‌کند، اما قصد ندارد جایگزین اصول مهندسی صحیح یا آزمایش‌های کاربردی خاص شود.

اضافه جریان‌ها

اضافه جریان وضعیتی است که در یک مدار الکتریکی زمانی رخ می‌دهد که جریان بار از مقدار معمول آن تجاوز کند. دو شکل اساسی اضافه جریان، اضافه بار و اتصال کوتاه هستند.

نقش اصلی فیوزها و مدارشکن‌ها در یک مدار، محافظت از پرسنل و تجهیزات در هنگام وقوع اضافه جریان‌های خطرناک است.

اتصال کوتاه

اتصال کوتاه یک وضعیت اضافه جریان است که در آن یک مسیر مدار غیرطبیعی و با مقاومت کم وارد مدار می‌شود.

این مسیر با مقاومت کم، بار عادی را دور می‌زند و می‌تواند جریان‌های بسیار بالایی ایجاد کند (تا ۱۰۰۰ برابر جریان عادی در برخی شرایط).

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

در مدار فوف با توجه به قانون اهم مقدار حریان حالت عادی 10 امپر می باشد.

وقتی اتصال کوتاه رخ می‌دهد، یک مسیر غیرعادی با مقاومت کم ایجاد می‌شود که باعث می‌شود جریان مدار با کاهش مقاومت مدار افزایش یابد.

جریان هنگام اتصال کوتاه می‌تواند از ۱۰۰۰ برابر جریان عادی مدار بیشتر شود. نمودار مدار یک اتصال کوتاه در زیر نشان داده شده است:

در مدار فوق بوسیله یک سیم نقطه پتانسیل بالا به نقطه پتانسیل پایین وصل شده است و عملا مقاومت مدار معادل مقاومت سیم ها می باشد که در حد چند میلی اهم است و جریان مدار از نظر تئوری بیش از 1000 امپر خواهد بود.

اضافه بار

اضافه بار، وضعیتی است که در آن جریان از ظرفیت بار کامل مدار فراتر می‌رود، اما هیچ گونه خطایی (اتصال کوتاه) وجود ندارد.

شرایط اضافه بار لحظه‌ای (که به عنوان جریان‌های "هجومی" نیز شناخته می‌شود) ممکن است هنگام راه‌اندازی اولیه مدار به دلیل شارژ خازن و یا راه‌اندازی موتور نیز رخ دهد.

برای انتخاب دستگاه محافظ مناسب، (در اینجا فیوز) پارامترها و معیارهای زیر باید در نظر گرفته شوند:

جریان کاری عادی مدار چقدر است؟

ولتاژ کاری چقدر است؟

مدار AC است یا DC؟

دمای محیط عملیاتی چقدر است؟

جریان اتصال کوتاه چقدر است؟

حداکثر مقدار مجاز I²t چقدر است؟

آیا جریان‌های هجومی (in-rush currents) موجود هستند؟

آیا وسیله حفاظتی برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، حفاظت در برابر اضافه بار یا هر دو استفاده می‌شود؟

محدودیت‌های اندازه فیزیکی چیست؟

آیا برد مدار چاپی روی سطح نصب می‌شود یا مدار چاپی سوراخدار؟

آیا فیوز باید «قابل تعویض در محل» باشد؟

آیا قابلیت تنظیم مجدد یک مشکل است؟

چه تاییدیه‌هایی از سازمان‌های ایمنی مورد نیاز است؟

چگونه دستگاه را نصب خواهم کرد؟

ملاحظات هزینه ای چگونه است؟

جریان کاری عادی مدار چقدر است؟

برای انتخاب آمپراژ مناسب فیوز، ابتدا باید جریان حالت پایدار مدار در بار کامل را در دمای محیط ۲۵ درجه سانتیگراد (۶۸ درجه فارنهایت) بدانید.

  پس از تعیین مقدار جریان، باید یک فیوز با ظرفیت ۱۳۵٪ این مقدار (از مقدار استاندارد بعدی) انتخاب شود.

برای مثال، اگر جریان حالت پایدار عادی ۱۰ آمپر محاسبه شود، باید یک فیوز با جریان نامی ۱۵ آمپر انتخاب شود [۱۰ آمپر ضربدر ۱۳۵٪ = ۱۳.۵ آمپر، اندازه استاندارد بزرگتر بعدی ۱۵ آمپر است].

لازم به ذکر است که اگر قرار است فیوز در محیطی با دمای محیطی احتمالاً بسیار بالا یا بسیار پایین استفاده شود، جریان اسمی فیوز باید به طور قابل توجهی بالاتر یا پایین‌تر انتخاب شود.

ولتاژ کاری چقدر است؟

قاعده کلی این است که ولتاژ نامی فیوز همیشه باید بالاتر از ولتاژ نامی مداری باشد که از آن محافظت می‌کند.

برای مثال، اگر ولتاژ مدار ۲۴ ولت باشد، ولتاژ نامی فیوز باید بالاتر از ۲۴ ولت باشد (بله… می‌تواند ۲۵۰ ولت باشد… البته تا زمانی که از ولتاژ مدار بالاتر باشد).

مدار AC است یا DC؟

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

برق AC چیزی است که معمولاً در خانه خود از طریق شرکت برق دریافت می‌کنید. برق AC در درجه اول توسط ماشین‌های متحرک مانند ژنراتورها ایجاد شده و از طریق شبکه برق تحویل داده می‌شود.

برق DC معمولاً در کاربردهای الکترونیکی و خودروسازی استفاده می‌شود. برق DC عموماً از طریق یک واکنش شیمیایی (مانند باتری‌ها و سلول‌های خورشیدی) ایجاد می‌شود یا از طریق استفاده از منابع تغذیه AC به DC، برق AC را تبدیل می‌کند.

در برق AC، جریان و ولتاژ به صورت نوسانی به جلو و عقب حرکت می‌کنند. (بالا و پایین می ش.د) این نوسان به فیوز کمک می‌کند تا به سرعت قطع شود. از طرف دیگر، برق DC نوسان نمی‌کند، بنابراین فیوز هنگام باز شدن باید راه دیگری برای قطع شدن جریان پیدا کند.

به دلیل این تفاوت‌ها، برخی از فیوزها به طور خاص برای استفاده در کاربردهای جریان مستقیم (مانند فیوزهای خودرو) طراحی شده‌اند. برخی از فیوزهای دارای رتبه‌بندی جریان متناوب (AC) ممکن است در کاربردهای جریان مستقیم (DC) نیز استفاده شوند، با این حال، در این موارد ممکن است افت ولتاژ وجود داشته باشد.

دمای محیط عملیاتی چقدر است؟

دمای محیط اصطلاحی عامیانه برای توصیف «هوای بیرون» اطراف فیوز است. معمولاً فیوزها در «شرایط آزمایشگاهی» توسط سازمان‌های ایمنی مانند UL و CSA آزمایش می‌شوند. شرایط آزمایشگاهی تقریباً همیشه روی ۲۵ درجه سانتیگراد یا ۷۷ درجه فارنهایت تنظیم می‌شود. متأسفانه، اکثر شرایط دنیای واقعی، آن‌هایی نیستند که در آزمایشگاه یافت می‌شوند.

فیوزها قطعات حساس به گرما هستند، به این معنی که برای ذوب شدن المنت فیوز داخل فیوز، به گرما (از طریق جریان بیش از حد) نیاز است. هر چه گرما بیشتر باشد. ذوب شدن المنت فیوز سریع‌تر انجام می‌شود. هر چه گرما کمتر باشد. مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا المنت فیوز ذوب شود.

اگر فیوز در معرض دمای بالاتر از ۲۵ درجه سانتیگراد قرار گیرد، آمپراژ فیوز باید افزایش یابد تا دمای بالاتر را جبران کند (برای جلوگیری از «قطع ناخواسته»). به همین ترتیب، اگر فیوز در دمای پایین‌تری استفاده شود، آمپراژ فیوز باید کاهش یابد (در غیر این صورت ممکن است در جریان خطا هرگز باز نشود).

قاعده کلی این است که به ازای هر ۲۰ درجه سانتیگراد افزایش یا کاهش دما، فیوز باید ۱۰ تا ۱۵ درصد بالاتر یا پایین‌تر از مقدار نامی خود تنظیم مجدد شود.

جریان اتصال کوتاه موجود چقدر است؟

جریان اتصال کوتاه موجود، جریان اندازه‌گیری شده یا محاسبه شده‌ای است که می‌تواند توسط یک منبع تغذیه در هنگام وجود اتصال کوتاه به مدار تحویل داده شود. این اطلاعات بسیار مهم است زیرا یک دستگاه محافظ اضافه جریان تنها توانایی محدودی برای باز کردن ایمن مدار در هنگام وقوع خطا دارد. بنابراین، مقدار جریان خطای موجود، یک بخش حیاتی از اطلاعات برای انتخاب دستگاه محافظ مناسب است.

محاسبه اتصال کوتاه موجود می‌تواند بسیار پیچیده باشد و عموماً باید به مهندسان واجد شرایط واگذار شود تا آن را محاسبه کنند. این محاسبات عموماً بر اساس عوامل زیر انجام می‌شوند:

چه مقدار جریان اتصال کوتاه از شرکت برق در دسترس است؟

مقاومت سیم‌کشی از شرکت برق به قطعه‌ای که فیوز در آن نصب شده است، چقدر است؟

مقاومت داخلی قطعه‌ای که فیوز روی آن نصب شده است چقدر است؟

وقتی همه این عوامل مشخص شدند، مهندس می‌تواند جریان اتصال کوتاه موجود در فیوز را محاسبه کند.

فیوز باید طوری انتخاب شود که مقاومت اتصال کوتاه بیشتری نسبت به مقدار موجود در مدار داشته باشد (در غیر این صورت فیوز می‌تواند منفجر شود و آسیب زیادی به افراد و تجهیزات وارد کند!)

حداکثر مقدار مجاز I²t چقدر است؟

تمام دستگاه‌های محافظ اضافه جریان هنگام باز شدن برای رفع خطای مدار، به مقدار مشخصی «زمان واکنش» نیاز دارند. در طول زمانی که طول می‌کشد تا فیوز باز شود، انرژی از فیوز عبور می‌کند. این انرژی با واحد I²t اندازه‌گیری می‌شود. «زمان واکنش» فیوز دو بخش دارد.

۱) مدت زمانی که طول می‌کشد تا عنصر فیوز ذوب شود (همچنین به عنوان زمان ذوب، Tm شناخته می‌شود )

۲) زمانی که طول می‌کشد تا قوس الکتریکی خاموش شود (همچنین به عنوان زمان قوس، T a شناخته می‌شود )

کل زمان باز بودن خطا به عنوان کل زمان رفع خطا شناخته می‌شود. T c + T m + T a

در طول این زمان ، انرژی از فیوز عبور می‌کند. سپس اجزای پایین‌دست در معرض این انرژی شدید قرار می‌گیرند، زیرا از فیوز عبور می‌کند (اگر فقط برای چند میلی‌ثانیه باشد).

برای تعیین فیوز یا قطع کننده مدار مناسب در یک مدار، مهندس باید از قابلیت تحمل اجزای مدار پایین دست مطلع باشد و فیوزی را انتخاب کند که انرژی جریان عبوری آن کمتر از آن اجزا باشد.

آیا جریان‌های هجومی (in-rush currents) در دسترس هستند؟

بسته به مدار، مواقعی وجود دارد که هنگام روشن شدن یک قطعه از تجهیزات، مقدار زیادی جریان مورد نیاز است. انواع قطعاتی که می‌توانند باعث این نوع جریان هجومی شوند شامل موتورها، فن‌ها و خازن‌ها هستند.

جریان هجومی می‌تواند ۶ تا ۱۰ برابر جریان عادی باشد (برای مثال، یک تلویزیون معمولی ممکن است ۳ آمپر جریان بکشد، اما جریان هجومی می‌تواند تا ۳۰ آمپر هم برسد). این جریان‌ها معمولاً بی‌ضرر هستند و ظرف ۱ تا ۲ ثانیه پس از روشن شدن، کاهش می‌یابند.

در هنگام هجوم جریان، فیوز نباید باز شود. فیوز مشخص شده در این مورد باید یک فیوز با تأخیر زمانی باشد که به قطعه تجهیزات اجازه می‌دهد تا به درستی و بدون مزاحمت باز شدن فیوز در هنگام وقوع اضافه جریان، راه‌اندازی شود.

آیا وسیله حفاظتی برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، حفاظت در برابر اضافه بار یا هر دو استفاده می‌شود؟

اگر قرار است از این وسیله به عنوان محافظ اتصال کوتاه استفاده شود، فیوز یا قطع کننده مدار باید خطا را به سرعت (معمولاً کمتر از ۴ میلی ثانیه) قطع کند تا حداکثر حفاظت را برای تجهیزات و پرسنل فراهم کند.

اگر فیوز یا قطع کننده مدار فقط برای محافظت در برابر اضافه بار در نظر گرفته شده باشد، می‌تواند در واکنش به اضافه جریان بسیار کندتر عمل کند - چند ثانیه یا حتی چند دقیقه در مقایسه با میلی ثانیه ...

همه فیوزها نوعی محافظت در برابر اتصال کوتاه و همچنین محافظت در برابر اضافه بار را ارائه می‌دهند، در حالی که بسیاری از بریکرها فقط محافظت در برابر اضافه بار را انجام می‌دهند و هیچ قابلیتی برای محافظت در برابر اتصال کوتاه‌های خطرناک ندارند.

محدودیت‌های اندازه فیزیکی چیست؟

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

به همین دلیل است که تولیدکنندگان فیوز و مدارشکن، طیف گسترده‌ای از قطعات با اندازه‌های فیزیکی مختلف را تولید کرده‌اند. با این حال، معمولاً مصالحه‌ای وجود دارد که مهندس باید در نظر بگیرد.

به طور کلی، هر چه فیوز کوچکتر باشد، جریان و یا قابلیت‌های فیوز یا قطع کننده مدار کمتر خواهد بود. به عنوان مثال، یک فیوز بسیار کوچک ممکن است به ۱۵ آمپر محدود شود، در حالی که فیوز لوله شیشه‌ای بزرگتر 6 میلی متر در 30 میلی متر می‌تواند تا ۴۰ آمپر را تحمل کند.

علاوه بر این، اگرچه فیوز می‌تواند کوچک‌تر باشد، اما نگهدارنده فیوز مربوطه ممکن است به طور قابل توجهی بزرگ‌تر باشد که این موضوع به ملاحظات اضافه می‌کند.

آیا برد مدار چاپی روی سطح نصب می‌شود یا از طریق برد سوراخدار؟

چندین گزینه مختلف برای فیوزهای نصب سطحی و فیوزهای سوراخ‌دار وجود دارد.

فیوزهای نصب‌شده روی سطح، اندازه‌های مختلفی از بسته‌بندی ۶۱۲۵ (۶.۱ در ۲.۵ میلی‌متر) تا بسته‌بندی ۰۶۰۳ (۰.۶ در ۰.۳ میلی‌متر) در دسترس هستند.

گزینه‌های اتصال از طریق سوراخ با گزینه‌های سربی محوری که در تمام فیوزهای شیشه‌ای و سرامیکی استاندارد ما و همچنین انواع فیوزهای بسیار کوچک و میکرو سربی موجود است، حتی بیشتر هم شده است.

همین گزینه‌ها در فیوزهای قابل تنظیم مجدد نیز موجود است.

علاوه بر این، نصب فیوز نیز می‌تواند در تصمیم طراحان نقش داشته باشد، به خصوص اگر فیوز نیاز به تعویض در محل داشته باشد.

آیا فیوز باید «قابل تعویض در محل» باشد؟

فیوزها برای قطع مدار در هنگام وقوع اضافه جریان طراحی شده‌اند؛ چه اتصال کوتاه باشد و چه اضافه بار. مهندس باید تصمیم بگیرد که آیا فیوز باید در محل قابل تعویض باشد یا خیر.

دلیل اصلی قابل تعویض بودن فیوز، صرفاً راحتی کاربر نهایی در راه‌اندازی مجدد تجهیزاتش است.

دلایل انتخاب عدم امکان تعویض فیوز میدان دو مورد است:

قرار دادن فیوز هولدر می‌تواند هزینه بسیار بیشتری برای سازنده داشته باشد، در مقایسه با لحیم کردن مستقیم فیوز به داخل یا روی برد مدار چاپی.

ممکن است تولیدکننده نخواهد مشتری نهایی به دلیل مسائل مربوط به مسئولیت، به داخل دستگاه دسترسی داشته باشد تا فیوز را تعویض کند. این امر به ویژه زمانی صادق است که در وهله اول اتصال کوتاه علت مشکل بوده باشد.

ممکن است سازنده برخی از قطعات خود را «از رده خارج» کرده باشد و بخواهد کل برد مدار را تعویض کند تا اینکه فقط فیوز را تعویض کند.

چه تاییدیه‌هایی از سازمان‌های ایمنی مورد نیاز است؟

مجموعه‌ای از آژانس‌های ایمنی در سراسر جهان وجود دارد که با حروف الفبا نوشته شده‌اند. UL، CSA، IEC، CCC، PSE، VDE، Nemko، Semko و TUV برخی از محبوب‌ترین آژانس‌ها هستند.

مجوزهای مورد نیاز تولیدکنندگان صرفاً به نوع تجهیزاتی که تولید می‌کنند و اینکه امیدوارند تجهیزات خود را در کجای دنیا بفروشند، بستگی دارد.

فیوزها معمولاً با چندین تأییدیه (مثلاً UL و CSA) در دسترس هستند. حتی در یک آژانس واحد، ممکن است چندین نوع تأییدیه مانند فهرست UL در مقابل UL شناخته شده وجود داشته باشد.

برخی تجهیزات مانند بسیاری از کاربردهای خودرو یا ولتاژ پایین، نیازی به تأیید هیچ نهادی ندارند.

بزرگترین مسئله در رابطه با تاییدیه‌های آژانس‌های ایمنی برای فیوزها این است که بسته به آژانس مربوطه، روش‌ها و استانداردهای آزمایش مختلفی وجود دارد. این ممکن است به معنای دو ویژگی فیوز متفاوت برای چیزی باشد که ظاهراً همان فیوز و/یا کاربرد است.

فیوز چگونه نصب خواهد شد؟

یکی از دقیق‌ترین ملاحظاتی که باید در نظر گرفته شود، نصب فیوز در مدار است. چندین گزینه در دسترس است:

لحیم مستقیم - در این روش، فیوز مستقیماً به برد مدار چاپی (PCB) لحیم می‌شود. عیب این طرح، عدم وجود قطعات قابل تعویض در محل است که در بخش 11 به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است، اما با این روش نصب، هزینه می‌تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

گیره فیوز – گیره فیوز نسبتاً ارزان است و امکان تعویض در محل را فراهم می‌کند. گیره فیوز معمولاً روی PCB نصب می‌شود، بنابراین هرگونه تلاش برای تعویض فیوز نیاز به باز کردن قطعه تجهیزات توسط کاربر نهایی دارد. علاوه بر این، برداشتن فیوز از PCB بدون قطع منبع تغذیه می‌تواند منجر به شوک الکتریکی هنگام لمس فیوز شود. گیره فیوز برای همه فیوزهای "لوله‌ای" و همچنین میکروفیوزها موجود است. معمولاً گیره فیوزها به 15 آمپر جریان عادی محدود می‌شوند. گیره فیوزها معمولاً توسط هیچ آژانس ایمنی فهرست یا شناخته نمی‌شوند.

پایه فیوزهای نصب شده روی پنل – پایه فیوزهای نصب شده روی پنل، امکان دسترسی آسان کاربر نهایی را برای تعویض فیوز در محل فراهم می‌کنند. پایه فیوز نصب شده روی پنل، در برابر شوک مقاوم است، به این معنی که با برداشتن درپوش پایه فیوز، فیوز با خیال راحت برداشته می‌شود و از احتمال شوک الکتریکی جلوگیری می‌شود. پایه فیوزها معمولاً توسط سازمان‌های ایمنی مانند UL و CSA آزمایش و تأیید می‌شوند. پایه فیوزها معمولاً تا 30 آمپر در دسترس هستند.

بلوک فیوز – بلوک فیوزها مانند گیره فیوز هستند، اما نیازی به نصب روی PCB ندارند. فیوزهای نصب شده در بلوک فیوزها معمولاً فقط با باز کردن قطعه تجهیزات قابل دسترسی هستند که در صورت عدم قطع شدن تجهیزات از منبع تغذیه، می‌تواند منجر به شوک الکتریکی شود. بلوک فیوزها یکی از معدود روش‌های نصب فیوزهای با آمپراژ بالا هستند.

نگهدارنده‌های فیوز درون خطی – نگهدارنده‌های فیوز درون خطی معمولاً به عنوان بخشی از مجموعه مهار سیم یا در جایی که هیچ سطحی برای محکم کردن نوع دیگری از پایه فیوز در دسترس نیست، استفاده می‌شوند. نگهدارنده‌های فیوز درون خطی معمولاً تا ۱۰۰ آمپر در کاربردهای ولتاژ پایین‌تر و تا ۳۰ آمپر در کاربردهای ولتاژ بالاتر در دسترس هستند.

ملاحظات هزینه چیست؟

ملاحظات هزینه می‌تواند بسته به اندازه، عملکرد و نصب فیوز تا چندین درجه متفاوت باشد. به طور کلی، هر چه فیوز بزرگتر باشد، هزینه آن بیشتر خواهد بود (به دلیل هزینه بالاتر مواد برای ساخت فیوز).

ویژگی‌های عملکردی یک فیوز خاص نیز از ملاحظات هزینه‌ای بزرگی است. یک فیوز خودرو با ولتاژ پایین ممکن است کسری از هزینه را در مقایسه با یک فیوز لوله سرامیکی فوق سریع ۵۰۰ ولتی که هر دو دارای جریان نامی ۱۰ آمپر هستند، داشته باشد.

تاییدیه‌های آژانس ایمنی نیز به هزینه کلی فیوز اضافه خواهد شد.

یکی از بزرگترین هزینه‌های فیوز، هزینه نگهدارنده فیوز است. یک نگهدارنده فیوز معمولی که روی پنل نصب می‌شود، ممکن است تا 10 برابر بیشتر از خود فیوز هزینه داشته باشد.