ทำไมฟิวส์ถึงเกิดการเผาไหม้ที่กระแสที่เจาะจง?

เรามักจะระบุกระแสสูงสุดที่ตัวนำ (เช่นฟิวส์) สามารถจัดการได้โดยไม่ต้องเผา แต่ตัวนำไม่ได้ล้มเหลวจริงๆเมื่อมีการสะสมพลังงาน / ความร้อนจำนวนหนึ่งในตัวนำ? จากนั้นตัวนำจะอยู่ที่อุณหภูมิสูงเกินไปและทำให้ไหม้ / ละลาย

สมมติว่าฉันมีฟิวส์ที่มีค่า 10A เหตุใดฉันจึงสามารถใช้งานฟิวส์อย่างต่อเนื่องที่กระแสต่ำกว่าเช่น 9A โดยไม่ต้องใช้ฟิวส์ในการเผาไหม้ แต่หลังจากนั้นอีกสักครู่

นอกจากนี้เรายังรู้ว่าพลังงานแรงดันและกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับกฎของโอห์ม ถ้าเรามีฟิวส์ 10A และมีความต้านทานตามอำเภอใจเช่น 100 โอห์มทำไมเราไม่เรียกมันว่าฟิวส์ 1kV (10A * 100 โอห์ม) หรือฟิวส์ 10kW (10A * 10A * 100 โอห์ม)? ตัวเลขเหล่านี้โดยพลการอย่างสมบูรณ์ดังนั้นฉันรู้ว่าพวกเขาไม่ได้สะท้อนความเป็นจริง แต่พวกเขาทำให้จุดของฉันชัดเจน

ดังนั้นถ้าเรามีฟิวส์ขนาด 10A และมีความต้านทานตามอำเภอใจเช่น 100 โอห์ม ...

ฟิวส์ 10 A ทั่วไปนี้มีความต้านทาน 5 mΩ ดังนั้นการเดาของคุณออกมาโดยประมาณ 20,000 ที่ 10 อำนาจกระจายจะได้รับจาก{}$P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$

ความต้านทาน: ความต้านทานของฟิวส์มักจะเป็นส่วนที่ไม่มีนัยสำคัญของความต้านทานวงจรทั้งหมด เนื่องจากความต้านทานของฟิวส์จำนวนแอมแปร์อาจมีหลายโอห์มความจริงข้อนี้จึงควรพิจารณาเมื่อใช้ในวงจรแรงดันต่ำ สามารถรับค่าจริงได้โดยติดต่อ Littelfuse ที่มา: คู่มือการใช้งาน Littlefuse Fuseology (ซึ่งควรค่าแก่การอ่าน)

เหตุผลในการต้านทานที่สูงขึ้นในฟิวส์แอมป์แบบเศษส่วนก็คือลวดฟิวส์นั้นมีความยาวเท่ากับรุ่น 10 A แต่จะต้องมีความละเอียดกว่าในการระเบิดเช่น 100 mA ฟิวส์ขนาด 100 มิลลิแอมป์อาจป้องกันวงจรที่กำลังวาดตามปกติกล่าวคือ 50 มิลลิแอมป์ หากความต้านทานฟิวส์อยู่ที่ 1 Ωจะมีการตกหล่น 50 mV ในการให้บริการ

เส้นผ่านศูนย์กลางที่ต้องการของฟิวส์ลวดสามารถคำนวณได้จากโดยที่ฉัน_fคือกระแสไฟหลอมในแอมป์, C คือสัมประสิทธิ์ของ Preece สำหรับโลหะเฉพาะที่ใช้งานอยู่ (ที่มา: Ness Engineering .) จากนี้เราจะเห็นได้ว่าฟิวส์ 10 A และ 0.1 A (ปัจจัย 100) ของวัสดุเดียวกันจะส่งผลให้ฟิวส์ 10 A ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางลวดเท่าของฟิวส์ 0.1 A

... ทำไมเราไม่เรียกมันว่าฟิวส์ 1kV (10 A * 100 ohms) หรือ 10 kW fuse (10 A * 10 A * 100 ohms)?

เพราะมันเป็นอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน ฟิวส์มีระดับแรงดันไฟฟ้าที่มีความหมายแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ดูด้านล่าง

ฟิวส์ต้องการคะแนนหลาย:

• กระแส (ซึ่งฉันคิดว่าชัดเจนเพียงพอ)
• ระดับแรงดันไฟฟ้าของฟิวส์ สิ่งนี้ระบุถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่มันสามารถแตกหักได้อย่างน่าเชื่อถือโดยไม่ต้องขึ้นรูปและคงไว้ซึ่งส่วนโค้งภายใน
• การจัดอันดับเวลา - ความเร็วจะพัดไปเร็วแค่ไหน

บทความ Littlefuse ครอบคลุมทั้งหมดเหล่านี้อย่างละเอียดดังนั้นไม่จำเป็นต้องทำซ้ำที่นี่

1. ตัวนำล้มเหลวเมื่อถึงอุณหภูมิที่กำหนด เนื่องจากฟิวส์อยู่ในการสัมผัสความร้อนกับสภาพแวดล้อมจึงสามารถกระจายพลังงานจำนวนหนึ่งก่อนที่มันจะระเบิด
2. ฟิวส์ขนาด 10A ของคุณออกแบบมาเพื่อเป่าที่ระดับ 10A (บวกหรือลบค่าความคลาดเคลื่อนบางส่วน) ดังนั้นควรวิ่งที่ 9A ตลอดทั้งวัน
   • แต่ฟิวส์ 10A นั้นจะใช้เวลานานในการเป่าที่ 10A และจะพัดเร็วกว่ามากที่ 20A และอาจทำงานผิดพลาดได้ถ้าคุณดัน 100A ผ่านมัน มีทั้งวิทยาศาสตร์ที่ถูกทอดทิ้งส่วนใหญ่เป็นฟิวส์
   • และถ้าคุณเรียกใช้ 10A ฟิวส์ที่ 9A หรือ 9.8A ทุกวันมันจะร้อนและช้าลง
   • ซึ่งหมายความว่าถ้ามันสำคัญจริงๆว่ามันเร็วแค่ไหนหรือนานแค่ไหนคุณต้องคุยกับผู้ผลิตฟิวส์
3. ฟิวส์ถูกจัดอันดับในแอมป์เพราะนั่นคือสิ่งที่คนส่วนใหญ่ติดตั้งฟิวส์สนใจ ฟิวส์ 10A ในอุดมคติจะไม่ลดแรงดันและจะไม่ระเบิดหรือสลายตัวแม้แต่ในระดับต่ำกว่า 10A แต่จะระเบิดทันที (หรือหลังจากเวลาที่กำหนดไว้) เหนือกว่านั้น ไม่มีฟิวส์ในอุดมคติ
4. ขณะที่คุณกำลังขบคิดทั้งหมดนี้คุณอาจต้องการที่จะขุดขึ้นบางแผ่นข้อมูลฟิวส์และรูปลักษณ์ บริษัท ที่ดี (Bussman, Littlefuse และอื่น ๆ ) ระบุสิ่งนี้ - และมีหลายอย่างเช่นฟิวส์ช้าระเบิดที่ออกแบบมาสำหรับการโอเวอร์โหลดชั่วคราวและฟิวส์เร็วที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองเร็วกว่าฟิวส์ "ธรรมดา" หากวิธีที่ฟิวส์ต้องตอบสนองนั้นไม่ได้มาตรฐานและสำคัญมันอาจกลายเป็นแบบฝึกหัดทางวิศวกรรมในการออกแบบ

โดยปกติฟิวส์ไม่ทราบว่ามีการใช้วงจรแรงดันไฟฟ้า แต่รู้เพียงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเท่านั้นดังนั้นเป็นสิ่งเดียวที่ทำให้เกิดการระเบิด

ฟิวส์ยังมีระดับแรงดันไฟฟ้าเพราะเมื่อฟิวส์ระเบิดมันจะมีแรงดันไฟฟ้าเต็มวงจรข้ามดังนั้นมันจะต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการกับแรงดันไฟฟ้านั้นอย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องออกแรง

ถามตัวเอง: จุดประสงค์ของฟิวส์คืออะไร

1. จำกัด แรงดันไฟฟ้าข้ามฟิวส์หรือไม่ ไม่นี่ไร้ประโยชน์
2. จำกัด พลังที่ฟิวส์จะหายไปภายในหรือไม่ ไม่นี่ยังไม่มีจุดหมาย
3. จำกัด กระแสที่จะผ่านฟิวส์หรือไม่ น่าแปลกที่ไม่มี! งานฟิวส์ไม่ได้ป้องกันตนเองจากอะไร หน้าที่ของฟิวส์คือเพื่อป้องกันโหลด ดังนั้นสมมติว่าคุณสนใจกระแสในโหลดจากนั้นคุณจะสนใจเฉพาะกระแสที่ฟิวส์เป่าเป็นข้อกังวลลำดับที่สองเนื่องจากกระแสโหลดและฟิวส์เกิดขึ้นเหมือนกัน
4. จำกัด แรงดันไฟฟ้าในโหลดหรือไม่ อาจจะใช่ แต่มีปัญหาการจัดอันดับฟิวส์วิธีนี้ซึ่งฉันจะหารือด้านล่าง
5. จำกัด พลังงานในการโหลดหรือไม่ อาจจะใช่ แต่มีปัญหาการจัดอันดับฟิวส์วิธีนี้ซึ่งฉันจะหารือด้านล่าง
6. จำกัด กระแสในการโหลดหรือไม่ ใช่ วัตถุประสงค์สูงสุดของฟิวส์คือเพื่อป้องกันโหลด ฉันจะอธิบายว่าทำไมกระแสจึงมีความถูกต้องมากกว่าแรงดันหรือกำลังใน # 4 หรือ # 5

ภาระเป็นกษัตริย์ ฟิวส์ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อการระเบิดเพียงเพื่อประโยชน์ของตัวเอง ฟิวส์ถูกออกแบบมาเพื่อป้องกันโหลด คุณกำลังคิดถึงป่าไม้สำหรับต้นไม้ถ้าสิ่งที่คุณสนใจคือเมื่อฟิวส์ระเบิด ในท้ายที่สุดฉันไม่สนใจเลยว่าแรงดันตกคร่อมฟิวส์หรือกำลังไฟมากแค่ไหนเมื่อฟิวส์ระเบิด สิ่งที่ฉันสนใจคือกระแสผ่านโหลดคือเมื่อฟิวส์ระเบิด (และขยายกระแสในฟิวส์เมื่อมันพัด)

คุณสามารถโต้แย้งว่ามันจะ จำกัด พลังงานที่โหลดหรือแรงดันไฟฟ้าที่โหลด แต่คุณไม่สามารถจัดอันดับฟิวส์ตามกำลังไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าเพราะตัวเลขเหล่านั้นขึ้นอยู่กับโหลดของตัวเอง กล่าวอีกนัยหนึ่งนั่นหมายความว่าฟิวส์ไม่สามารถจัดประเภทด้วยวิธีนี้ได้โดยไม่ทราบว่าคุณลักษณะของโหลดที่ใช้นั้นมีความแน่นอน

ในแง่ที่เข้มงวดกว่านี้เป็นเพราะตำแหน่งของฟิวส์ในวงจรไม่อนุญาตให้สังเกตพลังงานหรือแรงดันไฟฟ้าในโหลด สามารถสังเกตได้เฉพาะกระแสที่กำลังไปโหลด แน่นอนว่าฟิวส์สามารถสังเกตการลดลงของแรงดันไฟฟ้าหรือพลังงานที่กระจายออกจากตำแหน่งในวงจรได้ แต่เราได้กำหนดไว้แล้วว่าไม่เกี่ยวข้องกับการปกป้องระบบ

ถ้าคุณให้ฟิวส์ที่มีแรงดันไฟฟ้าหรือวัตต์มาให้ฉันฉันต้องผ่านการคำนวณที่ไม่จำเป็นซึ่งคำนึงถึงลักษณะของโหลดของฉันเพื่อที่จะทราบว่ากระแสไฟฟ้าที่ฟิวส์จะต้องปกป้องหรือไม่ โหลดของฉันจากกระแสเกิน, แรงดันไฟฟ้าเกินหรือเกินพิกัด

จุดสำคัญที่ต้องทำความเข้าใจคือวัสดุที่ใช้ทำสายไฟฟิวส์ เป็นโลหะธรรมดาและเรียบง่าย อย่างไรก็ตามโลหะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำความเย็น : หากคุณทำให้ลวดร้อนขึ้นมันจะกลายเป็นตัวนำและตัวต้านทานที่น้อยลงเรื่อย ๆ

ทีนี้ถ้าคุณมีฟิวส์ที่ทำงานต่ำกว่าขีด จำกัด ปัจจุบันมันจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเล็กน้อยเป็นความร้อนซึ่งจะหายไปอย่างรวดเร็วและลวดยังคงเย็นอยู่ ดังนั้นจึงมีความต้านทานต่ำมากดังนั้นแรงดันไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ฟิวส์

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านฟิวส์สูงกว่าเกณฑ์ลวดฟิวส์จะอุ่นขึ้น นั่นหมายความว่าความต้านทานของมันเพิ่มสูงขึ้นซึ่งส่วนใหญ่ของแรงดันไฟฟ้าจะตกลงไปในฟิวส์และทำให้กระแสไฟฟ้ากลายเป็นความร้อนมากขึ้น ความร้อนในสายชนวนทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นที่จะผลิต นี่เป็นกระบวนการขยายตัวเองและเนื่องจากมีพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากที่ไหลผ่านฟิวส์เมื่อมันเย็นความร้อนของฟิวส์สามารถดึงพลังงานได้มากมายจากกระแสแม้ก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อแรงดันไฟฟ้าที่เครื่องใช้อย่างมาก .

เนื่องจากกระบวนการให้ความร้อนที่ขยายด้วยตนเองนี้ฟิวส์จึงร้อนเร็วเกินไปและเบรกวงจร

มันเป็นความจริงที่ตัวนำฟิวส์ร้อนขึ้นเพื่อตอบสนองต่อกระแสที่ไหลผ่าน ตัวลวดถูกออกแบบมาเพื่อกระจายความร้อนนั้นโดยการนำความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมดังนั้นฟิวส์จะไม่ละลาย - จนกว่าพลังงานจะกระจายไปในมันเกินความสามารถของลวดในการกำจัดความร้อนนั้น จากนั้นความร้อนจะไปถึงจุดที่เส้นลวดหลอมละลาย ด้วยการเพิ่มมวลลงในลวดทำให้ค่าเวลาความร้อนเพิ่มขึ้นซึ่งทำให้ความสามารถในการจัดการกระแสเกินกำลังไฟชั่วครู่ทำให้เกิดฟิวส์แบบ slo-blo

แต่ตัวนำไม่ได้ล้มเหลวจริงๆเมื่อมีการสะสมพลังงาน / ความร้อนจำนวนหนึ่งในตัวนำ? จากนั้นตัวนำจะอยู่ที่อุณหภูมิสูงเกินไปและทำให้ไหม้ / ละลาย [... ] ทำไมจึงเป็นเช่นนั้นฉันจึงสามารถใช้งานฟิวส์อย่างต่อเนื่องที่กระแสต่ำกว่าเช่น 9A โดยไม่ต้องเผาฟิวส์ด้วย แต่เพียงเล็กน้อยในภายหลัง?

ไม่สำคัญว่าพลังงานจะถูกกระจายไปในฟิวส์ สิ่งที่สำคัญคืออัตราที่พลังงานถูกกระจายไปในฟิวส์ (นั่นคือพลังงาน - I ² R) เมื่อเทียบกับอัตราที่พลังงานถูกกระจายออกจากฟิวส์ผ่านความร้อนที่แผ่รังสีและการนำความร้อน

เมื่อพลังงานเข้าสู่ฟิวส์เร็วกว่าที่จะออกไปฟิวส์จะร้อนขึ้น อย่างไรก็ตามเมื่อฟิวส์ร้อนขึ้นอัตราการกระจายพลังงานออกจากฟิวส์จะเพิ่มขึ้น อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งพลังงานความร้อนไหลออกจากฟิวส์ตรงกับพลังงานความร้อนที่เข้า (I ² R)

ดังนั้นฟิวส์จะถึงอุณหภูมิสมดุลที่กำหนดโดยกระแสอย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไปฟิวส์จะระเบิด

มันอาจระเบิดเมื่ออุณหภูมิสมดุลถึงจุดหลอมเหลวของวัสดุหรืออาจระเบิดด้วยความร้อนที่ @cmaster กล่าวถึงในคำตอบของเขา ณ จุดที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นในฟิวส์เพิ่มพลังในเร็วกว่ามันจะเพิ่มอำนาจออกและสมดุลจะหายไป

ฟิวส์ได้รับการประเมินสำหรับการดำเนินงานปัจจุบัน ฟิวส์ 10A จะไม่ระเบิด (หรือ "ช้าลง") ที่ 9A หรือแม้แต่ 10A นั่นคือการระบุว่า 10A เท่านั้นหมายถึงผู้ผลิตรับประกันว่าจะทำงานได้ตามที่คาดหวังตราบใดที่คุณไม่ได้รับคะแนนเกิน

เห็นได้ชัดว่าหมายความว่าฟิวส์ 10A จะไม่ระเบิดทันทีที่คุณเกิน 10A ในความเป็นจริงถ้าคุณดูในแผ่นข้อมูลคุณจะเห็นว่าคุณต้องการอะไรเช่น 20A ในการระเบิดฟิวส์ 10A เลยและอาจจะ 30 + A ถ้าคุณต้องการให้มันเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วพอสมควร

ฟิวส์ยังมีระดับแรงดันตกที่แน่นอนคุณต้องการทั้งกระแสและแรงดันเพื่อระเบิดสายไฟ แต่เนื่องจากผู้ใช้มักต้องการระดับกระแสที่แม่นยำผู้ผลิตไม่ได้วัดแรงดันไฟฟ้าตกอย่างแม่นยำและให้ค่าทั่วไป / ค่าสูงสุดเท่านั้น ลองนึกภาพฉันบอกคุณว่าฉันมีฟิวส์ 150 mV / 5 mOhm: คุณคิดว่ามันจะเพียงพอสำหรับการป้องกันเช่นโหลดไฟ 1kW หรือไม่? คุณจะต้องค้นหาคะแนนปัจจุบันเพื่อบอก