Слово «предохранитель» — синоним слова «защитник». Это – первое устройство, сконструированное человеком для того, чтобы уберечь элементы электрической цепи от повреждений при выходе в ней величин токов за грань дозволенного.
Но за этим простым словом кроется множество устройств, даже отдаленно не напоминающих «пробку», с успехом справляющуюся со всеми напастями на протяжении нескольких десятилетий. Вот краткий обзор этих устройств.
Плавкие предохранители
К ним относятся отжившие свой век «пробки», но принцип плавления проводника в намеренно ослабленном участке электрической цепи при превышении в нем тока выше заданного предела так и не утратил актуальность. Наоборот – он остается до сих пор самым дешевым, безотказным, и поэтому – эффективным методом защиты.
Основная классификация плавких предохранителей – наличие в них сменяемой плавкой вставки или необходимость после аварии менять предохранитель целиком. При этом учитывается, что арматура для установки элемента в состав изделия (колодки, разъемы) в комплект этого элемента не входит. К предохранителям с несменяемыми защитными элементами относятся:
- Стеклянные предохранители, использующиеся в бытовой и промышленной аппаратуре. Внешний вид их не меняется десятилетиями: стеклянная трубочка с контактными выводами по краям, а внутри – проволочка, откалиброванная на заданный ток плавления. Промышленные стеклянные предохранители заполняются кварцевым песком.
- Керамические предохранители, в которых вместо хрупкого стекла применен фарфор. Достоинство – он безопасен, так как прочнее стеклянного, а при повреждении корпуса не образует острых осколков, способных поранить пользователя при извлечении. Керамические предохранители также иногда заполняют кварцевым песком для более эффективного гашения дуги в момент перегорания вставки.
К предохранителям со сменяемыми плавкими вставками относятся устройства, состоящие из корпуса с расположенным внутри него сменяемым защитным элементом. Размер корпуса стандартизирован на диапазон токов, а внутрь него устанавливается ряд вставок на разные токи. Вставки стоят недорого, их замена не требует времени и высокой квалификации персонала. К тому же гибкая линейка возможных токов плавления позволяет подобрать предохранитель точнее.
Возможна замена вставок и в предохранителях, конструкция которых это не предусматривает. Но процесс этот требует правильного подбора материала для новой вставки и высокой квалификации ремонтного персонала, особенно для устройств, предназначенных для работы на высоких напряжениях.
Быстродействующие предохранители
В отдельную категорию можно выделить быстродействующие предохранители. Они имеют особую конструкцию, позволяющую минимизировать время срабатывания. Применяются они для защиты устройств на полупроводниковых элементах: частотных преобразователей, выпрямителей, устройств плавного пуска. Для них времени срабатывания обычных плавких предохранителей недостаточно, чтобы предотвратить повреждение полупроводниковых элементов.
К быстродействующим также относятся полупроводниковые предохранители, принцип действия которых основан на свойствах р-п-перехода выдерживать строго определенный прямой ток.
Важной особенностью быстродействующих предохранителей является необходимость использования совместно с ними ограничителей перенапряжения. При резком исчезновении тока после срабатывания предохранителя в защищаемой цепи возникают коммутационные перенапряжения, действие которых на оборудование не менее опасно, чем сверхтоки при перегрузках и замыканиях.
Самовосстанавливающиеся предохранители
Эти устройства имеют в качестве реагирующего элемента смесь полимерного материала с углеродом. Углерод обеспечивает необходимую проводимость в нормальном режиме работы, но сопротивление его таково, что при превышении тока выше установленного порога углерод нагревается. Нагрев сопровождается повышением температуры в замкнутом объеме и плавлением полимера, окружающего углерод. При этом сопротивление предохранителя еще более увеличивается, и так – до разрыва цепи. После того, как смесь остынет, предохранитель снова готов к работе.
SMD-предохранители
Эти устройства используются в микроэлектронной технике. По габаритам они не отличаются от прочих SMD-элементов – резисторов, транзисторов и конденсаторов.
Различаются эти устройства по рабочему напряжению, при его увеличении растут габариты устройств. Но при этом увеличивается и отключающая способность: чипы SMD, рассчитанные на рабочее напряжение до 63 В, отключают ток до 50 А; а цилиндрические с номинальным напряжением 250 В отключат ток до 1500 А.
Термопредохранители
По принципу действия они похожи на элементы тепловой защиты автоматических выключателей: внутри находится биметаллическая пластина, при перегреве размыкающая контакты силовой цепи. Под действием заранее сжатой пружины контакты размыкаются, а после остывания датчика устройство возвращается в исходное положение нажатием кнопки. Контакты замыкаются, а пружина – сжимается. Она снова готова разомкнуть контакты при перегрузке.
Термопредохранители выделяют в самостоятельные устройства, так как выполняемые ими задачи ограничены. Они позволяют защитить бытовую аппаратуру от перегрузок, возникающих в процессе работы. После остывания оборудования пользователю не потребуется ничего менять, достаточно нажать на кнопку – и устройством можно пользоваться снова.
Аналогичные устройства применяются в утюгах и электроплитах, но в них нет кнопок возврата. Включение нагревательных элементов происходит автоматически после остывания биметаллической пластины. Но применяется данная конструкция не для защиты от перегрева, а для регулировки температуры. Для изменения порогового значения срабатывания с биметаллической пластиной соединен регулятор. С его помощью механически можно изменить ток, при котором она сработает.
Но есть и другие устройства, имеющие то же название. Они работают как датчики температуры: размыкают свои контакты при ее повышении.
В корпусе такого предохранителя есть элемент, плавящийся при повышении температуры и разрывающий электрическую цепь так же, как и вставка плавкого предохранителя.
Использование предохранителей при высоких напряжениях
С повышением напряжения габаритные размеры предохранителей увеличиваются. Связано это с необходимостью:
- обеспечить расстояние между выводами элементов, требуемое ПУЭ;
- эффективно и быстро погасить дугу внутри корпуса предохранителя.
Даже при длине предохранителя, равной допустимому расстоянию между частями электроустановок, находящимися под разным потенциалом, обеспечить дугогашение не так просто. Не помогает даже наполнение корпуса кварцевым песком.
В этих случаях конструкцию предохранителя усложняют. Один из путей ускорения срабатывания является установка пружины, разрывающей плавкую вставку в момент перегорания. Другой путь решения проблемы – сдувание дуги потоком газа, находящегося до срабатывания предохранителя под большим давлением. Путь газу внутрь устройства открывает клапан, механически соединенный с плавкой вставкой. Срабатывание защиты сопровождается звуком, напоминающем выстрел, поэтому такие предохранители называют стреляющими.