بررسی فیوز های الکتریکی
مقدمه
فیوز وسیله ای است جهت محافظت از مدارهای الکتریکی در مقابل بروز اشکالات ناشی از عبور جریان اضافی در آن، که به وسیله ذوب شدن و قطع المنت داخلی آن که معمولاً از جنس نقره یا مس می باشد مدار باز شده و جریان بصورت آنی قطع می گردد.
شکل 1- اجزاء تشکیل دهنده یک نوع فیوز ولتاژ پایین را نشان می دهد که ممکن است در آن بیش از یک المنت به صورت موازی در داخل محفظه ای که از ماسه کوارتز پودر شده و یا پودر چینی پر شده است وجود داشته باشد. بدنة فیوز معمولاً از جنس سرامیک و گاهی ممکن است از فایبر گلاس آمیخته با رزین ساخته شود. در هر یک از دو انتهای بدنه، یک کلاهک برنجی پرس شده وجود دارد که المنتهای داخلی به آن متصل به کلاهکهای آن انجام می شود. که متناسب با کاربرد فیوز دارای انواع مختلفی است.
هنگامیکه جریان اضافه برای مدت زمان کافی از مداری عبور کند به شرح زیر به تجهیزات آن مدار صدمه مدار می سازد.
الف- حرارت اضافه یا گرمای زیاد به بستگی به مربع مقدار مؤثر جریان عبوری از مدار دارد که در اثر آن ممکن است به واسطه کار در درجه حرارت بالا، به عایقهای مدار صدمه جبران ناپذیری وارد شود. اگر جریان به قدر کافی زیاد باشد. ممکن است هادیهای فلزی مدار نیز ذوب شوند.
ب- نیروهای الکترو مغناطیسی که متناسب با مربع پیک جریان هستند. تحت شرایط خطای اتصال کوتاه سنگین، ممکن است شکست مکانیکی تجهیزات اتفاق افتد، بویژه اگر درجه حرارت نیز بالا باشد که در این صورت چون مقاومت مکانیکی مواد عمدتاً با افزایش درجه حرارت کاهش می یابد اثرات مخربتری به وجود می آید.
بعضی قطعات مانند نیمه هادیهای قدرت بالا، به انرژی آزاد شده در قطعه در خلال یک پالس کوتاه مدت حساس هستند. اگر مقاومت اهمی قطعه ثابت انتخاب شود در این صورت انرژی آزاد شده در یک پالس با مدت T متناسب با خواهد بود. این انتگرال عموماُ به عنوان « i2 t» پالس شناخته می شود.
طرحهای مختلف فیوز برای حفاظت انواع مختلف تجهیزات الکتریکی در مقابل اثرات جریان اضافی و یا انرژی اضافی فوق الذکر وجود دارند که از آنجائیکه از بحث این کتاب خارج می باشد در مورد آنها صحبت نمی گردد. خوانندگان عزیز می توانند به بروشروهای تبلیغاتی شرکت فیوزسازی مراجعه نمایند.
نمودارهای عمومی
به عنان اولین قدم در درک طریقه ای که یک فیوز عمل می کند( با بعضی اوقات می سوزد)، نمودارهای عمومی جریان، ولتاژ و درجه حرارت فیوز در طی یک عمل قطع نشان داده شده در شکل های (2)، (2-3)،(2-4)،(2-5) را در نظر بگیرید.
جریان انتظاری نشان داده شده روی این شکلها جریانی است که در مدار جاری می شد اگر فیوز عمل نمی کرد و همچنین امپدانس المنت فیوز صفر در نظر گرفته می شد. بعد از وقوع یک خطا که باعث عبور جریان و بدنبال آن باعث عملکرد دقیق می گردد، دو ناحیه متمایز زمانی وجود دارد. یکی زمان قبل از ایجاد قوس و دیگری زمان برقراری قوس است.
دراثنای زمان قبل از قوس یا به عبارتی پیش قوس ( زمان ذوب شدن) درجه حرارت المنت فیوز آنقدر افزایش می یابد تا اینکه نقطه ذوب فلز در یک یا چند نقطه از طول المنت فرا می رسد. سپس المنت فیوز قطع شده و بین دو انتهای ذوب شدة المنت که پاره شده است قوس الکتریکی برقرار می گردد. در لحظه برقراری قوس یک افزایش قابل ملاحظه در ولتاژ دو سر فیوز ایجاد می گردد که دلیل آن بعداً توضیح داده می شود. در اثنای زمان قبل از قوس، وقتی که جریان مدار بسیار زیاد است، یک افزایش جزئی در ولتاژ دو سر فیوز مشاهده می شود، که این ناشی از مقاومت اهمی المنت فیوز است که با درجه حرارت افزایش یافته است.
جرقه، در خلال و در فاصلة زمانی برقراری قوس ادامه می یابد تا سرانجام قطع نهائی جریان فرا می رسد و قوس خاموش می گردد.
شکل های (2-2) و (2-4) نمودارهایی را در شرایط اتصال کوتاه برای مدارات dc و ac در یک حالت خاص نمایش می دهند. چنانکه از این اشکال دیده می شود فیوز جریان خطای مورد انتظار را قطع می کند یعنی جریان خطا را در یک مقدار کمتر از پیک جریان انتظاری محدود می نماید. این محدودیت جریان، یکی از خواص مهم فیوزها ست که اثرات حرارتی و الکترو مکانیکی را بطور جدی و موثر کاهش می دهد. در این شرایط اندازه زمان قبل از قوس و قوس تقریباً مساوی می باشند.
شکلهای ـ2-3) و (2-5) مجدداً نمودارهایی را برای مدارات dcو ac نشان می دهند در این موارد جریان های انتظاری نسبتاً پایین هستند( همانند جریان اضافه بار) که منجر به گرم شدن آهسته وتدریجی فیوز می شود. در این حالت زمان قبل ازقوس نسبتاً طولانی و شاید هم چند ساعته است ولی زمان جرقه در مقایسه با آن بسیار ناچیز است. شکل (2-5) نشان می دهد که قبل از اینکه جریان کاملاً متوقف گردد جریان مدار ممکن است چندین نیم سیکل ac را طی نماید.
شکل
بنابراین به نظر می رسد که در بعضی از موارد خاموش شدن قوس موقعی که جریان پایین است مشکل تر از وقتی است که جریان زیادی خصوصاً در مواقع اتصال کوتاه از مدار عبور می نماید. دلیل این امر در قسمتهای بعدی توضیح داده می شود.
توزیع گرما و حرارت در المنت فیوز
رفتار و عملکرد اشاره شده فوق الذکر دقیقاً بستگی به توزیع گرما در طول المنت قبل از ذوب شدن دارد.
همچنانکه از روی شکل مشخص است درجه حرارت المنت در لحظات اولیه عبور جریان در سرتاسر طول المنت و در تمام آن بطور یکنواخت پخش می شود زیرا که زمان کافی جهت افت و اتلاف حرارت در اثر انتقال به کلاهکهای در سر فیوز وجود ندارد. با پیشرفت زمان منحنی توزیع گرما تقریباً به صورت بیضی درآمده و گرمترین نقطه در وسط المنت خواهد بود.
این بدان معنی است که در اتصال کوتاههای شدید که دامنه جریان بسیار زیاد است، درجه حرارت در زمان ذوب بطور یکنواخت در سرتاسر طول المنت فیوز توزیع می گردد و در نتیجه المنت سریعاً ذوب شده و قوسهای متعددی ایجاد می گردد. بالعکس اگر جریان کم باشد زمان قبل از قوس افزایش یافته و درجه حرارت وسط المنت ایجاد می گردد. بنابراین توزیع گرما در المنت درست قبل از ذوب آن نه تنها مشخص می کند که آیا قوس تکی یا چند تائی است بلکه تأثیر عمقی دررفتار و عملکرد فیوز در فاصله زمانی قوس دارد.