Tại sao cầu chì cháy ở một dòng điện cụ thể?

Chúng tôi thường chỉ định dòng điện tối đa mà một dây dẫn (như cầu chì) có thể xử lý mà không cần đốt. Nhưng không phải dây dẫn thực sự thất bại khi một lượng năng lượng / nhiệt nhất định đã bị tiêu tan trong dây dẫn? Sau đó, dây dẫn ở nhiệt độ quá cao và cháy / tan chảy.

Giả sử tôi có một cầu chì được xếp hạng cho 10A. Tại sao sau đó tôi có thể vận hành cầu chì liên tục ở dòng điện thấp hơn như 9A mà không cần cầu chì cháy quá, nhưng chỉ một lát sau?

Chúng ta cũng biết rằng điện, điện áp và dòng điện có liên quan đến định luật Ohm. Vì vậy, nếu chúng ta có cầu chì 10A và nó có một số điện trở tùy ý như 100 ohms, tại sao chúng ta không gọi nó là cầu chì 1kV (10A * 100 ohms), hoặc cầu chì 10kW (10A * 10A * 100 ohms)? Những con số này hoàn toàn tùy ý vì vậy tôi biết chúng không phản ánh đúng thực tế nhưng chúng làm rõ quan điểm của tôi.

Vì vậy, nếu chúng ta có cầu chì 10A, và nó có một số điện trở tùy ý như 100 ohms, ...

Đây điển hình 10 Một cầu chì có một sức đề kháng 5 mΩ. Vì vậy, dự đoán của bạn đã được đưa ra bởi một yếu tố khoảng 20.000. Ở 10 A công suất tiêu tán được cho bởi $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

ĐỔI: Điện trở của cầu chì thường là một phần không đáng kể trong tổng trở của mạch. Vì điện trở của cầu chì ampe phân đoạn có thể là vài ohms, nên thực tế này cần được xem xét khi sử dụng chúng trong các mạch điện áp thấp. Giá trị thực tế có thể đạt được bằng cách liên hệ với Littelfuse. Nguồn: Hướng dẫn ứng dụng Fuseology của Littlefuse (rất đáng để đọc).

Lý do cho điện trở cao hơn trong các cầu chì ampere phân đoạn là do dây cầu chì có chiều dài tương đương với phiên bản 10 A, nhưng sẽ phải mịn hơn nhiều để thổi vào, ví dụ, 100 mA. Cầu chì 100 mA có thể đang bảo vệ một bản vẽ thông thường, giả sử, 50 mA. Nếu điện trở cầu chì là 1 Ω thì sẽ có sự sụt giảm 50 mV trên nó.

Đường kính yêu cầu của dây cầu chì có thể được tính từ

... tại sao chúng ta không gọi nó là cầu chì 1kV (10 A * 100 ohms) hoặc cầu chì 10 kW (10 A * 10 A * 100 ohms)?

Bởi vì nó là một thiết bị bảo vệ quá dòng . Cầu chì đã có một đánh giá điện áp có nghĩa là một cái gì đó hoàn toàn khác nhau. Xem bên dưới.

Cầu chì cần một số xếp hạng:

• Hiện tại (mà tôi nghĩ là đủ rõ ràng).
• Đánh giá điện áp của cầu chì. Điều này xác định điện áp tối đa nó có thể phá vỡ đáng tin cậy mà không cần hình thành và duy trì một vòng cung bên trong.
• Đánh giá thời gian - nó sẽ thổi nhanh như thế nào.

Bài viết Littlefuse bao gồm tất cả những điều này rất chi tiết vì vậy không cần phải sao chép nó ở đây.

1. Dây dẫn bị hỏng khi đạt đến nhiệt độ nhất định. Bởi vì cầu chì tiếp xúc nhiệt với môi trường xung quanh, nó có thể tiêu tan một lượng điện năng nhất định trước khi thổi.
2. Cầu chì 10A của bạn được thiết kế để thổi ở 10A (cộng hoặc trừ một số dung sai). Vì vậy, nó nên chạy ở 9A cả ngày.
   • Nhưng cầu chì 10A đó sẽ mất nhiều thời gian để thổi ở 10A, và sẽ thổi nhanh hơn nhiều ở 20A, và có thể hoạt động sai nếu bạn đẩy 100A qua nó. Có một tổng thể, chủ yếu bỏ qua khoa học để hợp nhất.
   • Và nếu bạn chạy cầu chì 10A đó ở 9A hoặc 9,8A cả ngày, nó sẽ chạy nóng và xuống cấp chậm.
   • Điều đó có nghĩa là nếu nó thực sự quan trọng như thế nào nó thổi nhanh, hoặc nó kéo dài bao lâu, thì bạn cần nói chuyện với nhà sản xuất cầu chì.
3. Cầu chì được xếp hạng trong amps vì đó là điều mà hầu hết mọi người lắp đặt cầu chì quan tâm. Cầu chì 10A lý tưởng giảm không có điện áp, và không thổi cũng không suy giảm ở ngay cả một nanoamp dưới 10A, nhưng thổi ngay lập tức (hoặc sau một thời gian được xác định rõ) ở trên đó. Không có cầu chì lý tưởng tồn tại.
4. Trong khi bạn đang cân nhắc tất cả những điều này, bạn có thể muốn tìm hiểu một số bảng dữ liệu cầu chì và xem xét . Các công ty tốt (Bussman, Littlefuse, v.v.) chỉ định điều này - và có những thứ như cầu chì thổi chậm được thiết kế để quá tải tạm thời và cầu chì thổi nhanh được thiết kế để phản ứng nhanh hơn cầu chì "thông thường". Nếu cách cầu chì cần đáp ứng là không chuẩn và quan trọng, nó có thể trở thành bài tập kỹ thuật để thiết kế một trong đó.

Thông thường, cầu chì không biết nó được sử dụng trong mạch điện áp nào - nó chỉ biết dòng điện chạy qua nó, vì vậy đó là thứ duy nhất có thể khiến nó thổi.

Cầu chì cũng có xếp hạng điện áp bởi vì, một khi cầu chì thổi, nó sẽ có điện áp mạch đầy đủ trên nó, vì vậy nó phải được thiết kế để xử lý an toàn điện áp đó mà không cần đấu nối.

Hãy tự hỏi: mục đích của cầu chì là gì?

1. Giới hạn điện áp trên cầu chì? Không. Điều này là vô nghĩa.
2. Hạn chế sức mạnh một cầu chì đang tiêu tan trong nội bộ? Không. Điều này cũng vô nghĩa.
3. Hạn chế dòng điện đi qua cầu chì? Đáng ngạc nhiên, không! Công việc của cầu chì không phải là để bảo vệ bản thân khỏi bất cứ điều gì. Công việc của cầu chì là bảo vệ tải. Vì vậy, giả sử bạn quan tâm đến dòng điện trong tải, thì bạn sẽ chỉ quan tâm đến dòng điện mà cầu chì thổi vào như một mối quan tâm thứ cấp vì dòng tải và cầu chì xảy ra như nhau
4. Giới hạn điện áp trong tải? Có thể cho rằng, có nhưng có những vấn đề đánh giá cầu chì theo cách này mà tôi sẽ thảo luận dưới đây.
5. Hạn chế công suất trong tải? Có thể cho rằng, có nhưng có những vấn đề đánh giá cầu chì theo cách này mà tôi sẽ thảo luận dưới đây.
6. Hạn chế dòng điện trong tải? Vâng! Mục đích cuối cùng của cầu chì là bảo vệ tải. Tôi sẽ thảo luận tại sao dòng điện có giá trị hơn điện áp hoặc công suất ở # 4 hoặc # 5

Tải là vua. Một cầu chì không được thiết kế để thổi chỉ vì lợi ích riêng của nó. Một cầu chì được thiết kế để bảo vệ tải. Bạn đang thiếu rừng để trồng cây nếu tất cả những gì bạn tập trung vào là khi cầu chì nổ. Cuối cùng, tôi không quan tâm đến TẤT CẢ điện áp nào trên cầu chì hoặc mức năng lượng của cầu chì tiêu tán khi nó thổi. Điều tôi quan tâm là dòng điện qua tải là khi cầu chì thổi (và bằng cách mở rộng dòng điện trong cầu chì khi nó thổi).

Bạn có thể lập luận rằng nó sẽ giới hạn công suất AT LOAD hoặc điện áp AT LOAD, nhưng bạn không thể đánh giá các cầu chì dựa trên công suất tải hoặc điện áp vì những con số này phụ thuộc vào chính tải. Nói cách khác, điều đó có nghĩa là cầu chì không thể được đánh giá theo cách như vậy mà không biết chính xác các đặc điểm của tải mà nó đang được sử dụng.

Nói một cách khắt khe hơn, điều này là do vị trí của cầu chì trong mạch không cho phép nó quan sát công suất hoặc điện áp trên tải. Nó chỉ có thể quan sát hiện tại đi đến tải. Chắc chắn, cầu chì có thể quan sát sự sụt giảm điện áp của chính nó hoặc tiêu tán năng lượng từ vị trí của nó trong mạch, nhưng chúng tôi đã thiết lập không liên quan đến việc bảo vệ hệ thống.

Nếu bạn đưa cho tôi một cầu chì được đánh giá bằng cách sử dụng điện áp hoặc watts trên nó, tôi phải trải qua một loạt các tính toán không cần thiết có tính đến các đặc điểm mà tải của tôi chỉ để tìm ra nếu cầu chì thổi vào sẽ bảo vệ tải của tôi từ quá dòng, quá áp hoặc quá tải.

Điểm cốt yếu để hiểu là vật liệu mà dây cầu chì được làm bằng. Đó là kim loại đơn giản. Tuy nhiên, kim loại có đặc tính là một dây dẫn lạnh : Nếu bạn làm nóng dây, nó sẽ ngày càng ít đi của dây dẫn và nhiều điện trở hơn.

Bây giờ, nếu bạn có một cầu chì hoạt động dưới giới hạn hiện tại của nó, nó sẽ biến một chút năng lượng điện thành nhiệt, nhanh chóng bị tiêu tán và dây vẫn mát. Theo đó, nó có điện trở rất thấp, vì vậy chỉ có một lượng nhỏ điện áp rơi ở cầu chì.

Khi dòng điện qua cầu chì tăng quá ngưỡng, dây cầu chì sẽ ấm hơn. Điều này có nghĩa là điện trở của nó tăng lên, một phần lớn hơn của điện áp rơi trên cầu chì, và do đó, nó biến nhiều điện thành nhiệt. Nhiệt trong dây cầu chì gây ra nhiều nhiệt hơn được tạo ra . Đây là một quá trình tự khuếch đại và vì có quá nhiều năng lượng điện có sẵn mà chỉ đơn giản là chảy qua cầu chì khi trời lạnh, cầu chì nóng có thể lấy rất nhiều năng lượng từ dòng điện ngay cả trước khi tác động đáng kể đến điện áp ở thiết bị .

Do quá trình gia nhiệt tự khuếch đại này, cầu chì nhanh chóng bị quá nhiệt, hãm mạch điện.

Đúng là dây dẫn cầu chì nóng lên để đáp ứng với dòng điện chạy qua nó. Bản thân dây được thiết kế để tiêu tan nhiệt đó bằng cách dẫn đến môi trường của nó để cầu chì không bị tan chảy - cho đến khi năng lượng bị tiêu tán trong nó vượt quá khả năng của dây để dẫn nhiệt đó. Sau đó nhiệt tích tụ đến điểm dây cầu chì nóng chảy. Bằng cách thêm khối lượng vào dây, hằng số thời gian nhiệt của nó được tăng lên, cung cấp khả năng cho nó xử lý các dòng quá dòng ngắn ngủi - dẫn đến cầu chì slo-blo .

Nhưng không phải dây dẫn thực sự thất bại khi một lượng năng lượng / nhiệt nhất định đã bị tiêu tan trong dây dẫn? Sau đó, dây dẫn ở nhiệt độ quá cao và cháy / tan chảy. [...] Tại sao sau đó tôi có thể vận hành cầu chì liên tục ở dòng điện thấp hơn như 9A mà không cần cầu chì cháy quá, nhưng chỉ một lát sau?

Nó không quan trọng bao nhiêu năng lượng đã bị tiêu tan trong cầu chì. Vấn đề là tốc độ tiêu tán năng lượng vào cầu chì ( năng lượng đó - I ² R) so với tốc độ tiêu tán năng lượng ra khỏi cầu chì thông qua nhiệt bức xạ và dẫn nhiệt.

Khi năng lượng đi vào cầu chì nhanh hơn năng lượng phát ra, thì cầu chì nóng lên. Tuy nhiên, khi cầu chì nóng lên, tốc độ tiêu tán năng lượng ra khỏi cầu chì sẽ tăng lên. Nhiệt độ sẽ tăng cho đến khi năng lượng nhiệt chảy ra từ cầu chì phù hợp với năng lượng nhiệt đi vào (I ² R).

Vì vậy, cầu chì sẽ nhanh chóng đạt đến nhiệt độ cân bằng được xác định bởi dòng điện. Khi nhiệt độ này quá cao, cầu chì sẽ thổi.

Tùy thuộc vào vật liệu cầu chì, nó có thể thổi khi nhiệt độ cân bằng đạt đến điểm nóng chảy của vật liệu, hoặc nó có thể thổi bởi dòng chảy nhiệt mà @cmaster đề cập trong câu trả lời của mình. Vào thời điểm đó, nhiệt độ tăng trong cầu chì làm tăng sức mạnh trong nhanh hơn nó làm tăng sức mạnh ra , và sự cân bằng bị mất.

Cầu chì được đánh giá cho hoạt động hiện tại . Cầu chì 10A sẽ không thổi (hoặc "xuống cấp chậm") ở 9A, hoặc thậm chí là 10A. Việc nó được dán nhãn 10A chỉ có nghĩa là nhà sản xuất đảm bảo nó sẽ hoạt động như mong đợi miễn là bạn không vượt quá xếp hạng.

Rõ ràng, điều đó có nghĩa là cầu chì 10A sẽ không thổi vào thời điểm bạn vượt quá 10A. Trên thực tế, nếu bạn nhìn vào một bảng dữ liệu , bạn sẽ thấy rằng bạn cần một cái gì đó như 20A để thổi cầu chì 10A, và có thể 30 + A nếu bạn muốn nó xảy ra một cách hợp lý nhanh chóng.

Cầu chì cũng có xếp hạng giảm điện áp, thực sự, bạn cần cả dòng điện và điện áp để làm nổ một đoạn dây. Nhưng vì người dùng cuối thường muốn đánh giá chính xác hiện tại, các nhà sản xuất không đo chính xác sự sụt giảm điện áp và chỉ cung cấp một giá trị điển hình / tối đa cho nó. Hãy tưởng tượng tôi nói với bạn rằng tôi có cầu chì 150 mV / 5 mOhm: bạn có nghĩ rằng nó sẽ đủ để bảo vệ ví dụ như tải chính 1kW không? Bạn sẽ phải tìm ra đánh giá hiện tại để nói.