Charakterystyka i rodzaje bezpieczników: rurkowe wkładki topikowe

Początkujący elektronik uważa, że bezpiecznik to element, który ma chronić jakiś obwód czy urządzenie przed uszkodzeniem, nie dopuszczając do nadmiernego wzrostu prądu w przypadku przeciążenia czy zwarcia. Takie wyobrażenie nie jest do końca prawdziwe. Owszem, w niektórych obwodach bezpiecznik rzeczywiście ma pełnić taką rolę. W zaskakująco wielu przypadkach bezpiecznik ma zupełnie inne zadanie. Przykładowo bezpiecznik sieciowy obecny w wielu urządzeniach nie jest w stanie skutecznie ochronić przed uszkodzeniem, a jedynie ma nie dopuścić do dalszych uszkodzeń, przede wszystkim do powstania pożaru czy wybuchu.

W powszechnym użyciu jest kilka rodzajów bezpieczników. W sprzęcie elektronicznym najczęściej stosowane są bezpieczniki rurkowe, a ściślej rurkowe wkładki topikowe, o długości 20mm i średnicy 5,2mm o prądach znamionowych w zakresie 32mA…10A. W katalogach i ofertach handlowych oznaczane są WTA – Wkładka Topikowa Aparatowa. We wszystkich elementem czynnym jest topik – kawałek drucika, który przy zbyt dużym prądzie ulega stopieniu i przerywa obwód.

Wydawałoby się, że ten kawałek drucika to wyjątkowo prymitywny element, któremu nie warto poświęcać uwagi.

Czy jednak potrafiłbyś wyjaśnić, czym tak naprawdę różnią się trzy wkładki topikowe? Wszystkie trzy mają ten sam prąd znamionowy, w tym wypadku 800mA, różnią się nieco budową. Jedna wkładka zawiera w oznaczeniu literkę T, druga literkę G, trzecia ma w oznaczeniu tylko prąd znamionowy; na wszystkich umieszczono też napis 250V.

Parametry i charakterystyka bezpieczników

Fotografia przedstawia topikowe wkładki bezpiecznikowe WTA, WTA-T oraz WTA-G. Najpopularniejsze są wkładki oznaczone WTA oraz WTA-T. Znacznie rzadziej używa się wkładek WTA-G. Wkładki oznaczone literką T (WTA-T) to tak zwane wkładki zwłoczne. Wkładki bez literki (WTA) to tak zwane wkładki szybkie -w katalogach i normach oznaczane są literą F. Literę F zwykle się pomija i traktuje wkładki szybkie jako „standardowe”. Wkładki z literką G (WTA-G) to wkładki szybkie o dużej zdolności wyłączania – oznaczenie katalogowe zawiera litery F i G.

Te ogólne określenia niewiele mówią. Należałoby bliżej zapoznać się z ich parametrami. Zacznijmy od prądu znamionowego. Czy uważasz, że przy prądzie znamionowym bezpiecznik od razu się przepali? Nie!

Znamionowy prąd bezpiecznika to maksymalny prąd, nie powodujący jeszcze zadziałania bezpiecznika.

Przy jakim prądzie bezpiecznik zadziała, czyli się przepali? Czy wystarczy zwiększyć prąd do 105% wartości znamionowej? A może do 110%? Trzeba pamiętać, że zadziałanie bezpiecznika oznacza rozgrzanie drucika topikowego do znacznej temperatury. Zapewne więc pewien wpływ na parametry będzie mieć temperatura otoczenia. Tak, ale nie tylko. Z kilku innych względów trudno precyzyjnie przewidzieć zachowanie poszczególnego bezpiecznika. W katalogach i normach podane są jedynie wartości graniczne.

Gdzie kupić bezpieczniki? Porównywarka cen

Kiedy zadziała bezpiecznik?

Pożegnaj się jednak raz na zawsze z wyobrażeniem, że bezpiecznik działa szybko po jakimkolwiek zwiększeniu prądu powyżej prądu znamionowego. Przy prądzie równym 110% znamionowego zdecydowana większość bezpieczników w ogóle nie zadziała! Jedynie dla bezpieczników T podaje się wymaganie, by przy prądzie 110% nominalnego i w temperaturze +70°C

Oto przykłady: dla dwóch z trzech omawianych wkładek (szybkich – F oraz G) podaje się, że przy prądzie równym 210% znamionowego zadziałają one w czasie nie dłuższym niż 1800 sekund. Oznacza to, że po dwukrotnym przekroczeniu prądu nominalnego bezpiecznik może funkcjonować jeszcze przez pół godziny! Dla trzeciej wkładki (zwłocznej – T) maksymalny czas do zadziałania nie przekroczy 120s, czyli dwóch minut.

Normy i katalogi podają też, że na przykład przy prądzie równym 275% znamionowego wkładka szybka F o nominale 2,5A powinna zadziałać w czasie 50ms…2s, wkładka szybka 2,5AFG w czasie 10ms…2 s, a wkładka zwłoczna 2,5A T w czasie 0,6… 10s.

Dla prądu 400% znamionowego wartości te wynoszą   odpowiednio:   F – 10ms…0,3s, FG – 3ms…0,3s, T – 0,15…3s. Dla prądu 1000% (dziesięciokrotne przeciążenie) czasy zadziałania dla wkładek F i FG nie powinny być dłuższe niż 20ms, a dla wkładek zwłocznych T – 20ms.. .0,3s. Przedstawione zależności dla wkładek T i F o nominałach 125mA…10A można zobaczyć na rysunku 1. Na osi poziomej zaznaczony jest czas zadziałania na pionowej prąd, a właściwie stosunek prądu rzeczywistego do prądu znamionowego. Kolorami zaznaczone są charakterystyki bezpieczników F oraz T. Tu jasno widać, że przy dużych prądach wkładki T rzeczywiście są powolniejsze.

Czy nie umknęło Twojej uwadze, że wkładki zwłoczne (T) przy stosunkowo małych prądach przeciążeniowych, np. przy prądzie 210% nominalnego, mają gwarantowany czas zadziałania krótszy (!) od wkładek szybkich (F i FG)? Natomiast przy prądach 275% i większych, zgodnie ze swą nazwą, rzeczywiście są powolniejsze.

To nie przypadek! Wkładki zwłoczne stosowane są przede wszystkim w obwodach, gdzie mogą wystąpić chwilowe przeciążenia, na przykład przy rozruchu silników, transformatorów, itd. Krótki impuls przeciążeniowy nie powoduje spalenia bezpiecznika, natomiast przy trwałym przeciążeniu bezpiecznik zwłoczny T powinien zareagować wcześniej od szybkiego F. Nawet jeśli nie chcesz zagłębiać się w szczegóły, zapamiętaj, że w obwodach sieciowych sprzętu elektronicznego z reguły stosuje się bezpieczniki zwłoczne, zawierające w oznaczeniu literkę T. Wstawienie tam wkładki szybkiej (z literą F lub bez litery) jest błędem.

Na przykład w chwili dołączania do sieci wzmacniacza z sieciowym transformatorem toroidalnym, zależnie od momentu włączenia, może pojawić się potężny, krótki impuls prądu. Wkładka zwłoczna, na przykład 2,5A T może wytrzymać taki impuls, wkładka „zwykła” 2,5A niechybnie szybko się spali – dopiero „zwykła” wkładka 5A lub 6,3A wytrzyma takie impulsy. Jednak ta „zwykła”, czyli szybka wkładka w przypadku jakiegoś trwałego przeciążenia, na przykład uszkodzenia i zwarcia w obwodzie wzmacniacza, nie przepali się jeszcze przy prądach rzędu 10A, co zwiększa ryzyko przegrzania i powstania pożaru. Natomiast jak gwarantuje katalog, dla wkładki zwłocznej 2,5A, przy przeciążeniu prądem 5.25A czas zadziałania nie przekroczy 120 sekund.

Szybkie bezpieczniki – zastosowanie

A gdzie stosować „zwykłe”, czyli szybkie bezpieczniki? Jeśli już jesteśmy przy wzmacniaczach, typowym miejscem pracy dla bezpiecznika szybkiego jest wyjście zasilacza sieciowego. Dobrze dobrany szybki bezpiecznik może uchronić przed zniszczeniem elementy półprzewodnikowe w razie przeciążenia, zwarcia, itp. Jeśliby nawet nie uchronił delikatnych półprzewodników, zapobiegnie dalszym uszkodzeniom, na przykład transformatora czy diod zasilacza.

Jak  rozpoznać wkładki zwłoczne? Zawsze na bezpieczniku obok prądu nominalnego umieszczona jest literka T. Poza tym wiele wkładek zwłocznych ma wewnątrz szklanej rurki sprężynkę – niestety, nie wszystkie. Jeśli na wkładce topikowej nie ma literki T (ani G), jest to wkładka szybka -literę F z reguły się pomija.

Napięcie

Celowo w przypadku bezpieczników podaje się napięcie maksymalne. Nie byłoby to potrzebne, gdyby bezpieczniki przepalały się podczas powolnego wzrostu prądu czy też przy prądach co najwyżej dziesięciokrotnie większych od znamionowego. A rysunek 1 pokazuje charakterystyki dla takich właśnie warunków. Cały problem w tym, że zdecydowana większość bezpieczników „traci życie” w warunkach zwarcia, czyli wtedy, gdy w obwodzie chce płynąć i rzeczywiście przez krótki czas płynie bardzo duży prąd zwarciowy.

Kiedy przepala się bezpiecznik?

Ten duży prąd powoduje, że drucik topikowy ogromnie się rozgrzewa i co gorsza w jego miejscu powstaje łuk elektryczny, czyli mieszanina rozgrzanych, zjonizowanych cząstek. Być może zaobserwowałeś kiedyś błysk, powstający w chwili spalenia bezpiecznika – jego źródłem jest właśnie łuk elektryczny. Jak wiadomo, łuk elektryczny, występujący także podczas uderzenia pioruna czy podczas spawania, przewodzi prąd elektryczny. Choć więc drucik topikowy się stopi, prąd będzie płynąć przez łuk utrzymujący się jeszcze przez jakiś czas. Problem powstawania łuku elektrycznego występuje z całą ostrością w technice wysokich napięć. Ale nie tylko – łuk powstaje także przy spawaniu, gdy napięcie wynosi co najwyżej kilkadziesiąt woltów. Najprościej biorąc, czym wyższe napięcie w rozłączanym obwodzie, tym lepsze warunki do powstania i utrzymania się łuku. Jak się okazuje, problem łuku dotyczy również bezpieczników. Jeśliby drucik bezpiecznika przepalił się na małym odcinku, łuk w pewnych warunkach mógłby powstać i utrzymywać się także przy stosunkowo niskich napięciach, zwłaszcza przy prądzie stałym. Ponadto zapalony łuk mógłby na trwałe powstać między np. zaciskami obudowy lub elementami gniazda bezpiecznika.

Pożytek z takiego bezpiecznika byłby żaden – wprawdzie przy mniejszych przeciążeniach bezpiecznik będzie działał według charakterystyk z rysunku 1, jednak przy zwarciu i dużych prądach zwarciowych czasy rozłączenia obwodu okazałyby się zastraszająco długie. Aby do tego nie dopuścić, wkładki przeznaczone do wyższych napięć mają taką budowę, która pomaga gasić powstający łuk. Może tego nie widać na pierwszy rzut oka, ale tak jest.

I tu wyjaśnia się sprawa napięcia – napięcie podane na wkładce to maksymalne napięcie, przy którym nastąpi niezawodne przerwanie łuku (na rurkowych wkładkach jest to  zwykle  250V).

Nieco  podobne wkładki samochodowe mają zupełnie inną budowę i nie powinny być stosowane w obwodach, gdzie występują napięcia wyższe niż 35V. Przy napięciach wyższych niż 250V powinny pracować  inne wkładki,o  większych wymiarach (8,5x3l,5mm oraz 10×38,lmm).

Prąd zwarciowy

Wiemy już z grubsza, dlaczego na bezpiecznikach podaje się napięcie maksymalne. Ale to jeszcze nie wszystko. Przed chwilą w tekście pojawiło się zupełnie nieprecyzyjne określenie „bardzo duży prąd zwarciowy”. To kolejna istotna, nie wszystkim znana sprawa. Jeszcze raz podkreślam, że większość bezpieczników kończy żywot w warunkach zwarcia. Jaki prąd wtedy płynie? To oczywiście zależy od tego, gdzie dany bezpiecznik pracuje.

Czy z rysunku 1 wynika, że przy tak dużych prądach czas zadziałania bezpiecznika skróci się do pojedynczych milisekund lub nawet mikrosekund? Niestety nie! Rysunek 1  informuje o tak zwanych czasach przedłukowych, czyli czasach do zapalenia łuku, a nic nie mówi o zjawiskach podczas zwarcia, gdy płyną ekstremalnie duże prądy. W uproszczeniu można powiedzieć, że nie tylko wysokie napięcie sprzyja powstaniu i utrzymaniu łuku. Drugim bardzo ważnym czynnikiem sprzyjającym jest wydajność prądowa obwodu, gdzie umieszczony jest bezpiecznik.

Czym większy prąd zwarciowy może popłynąć (i popłynie), tym trudniej zgasić łuk. Informacje z rysunku 1 są bezużyteczne w warunkach zwarcia. Jeśli prąd zwarciowy jest bardzo duży, łuk utrzymuje się, mówiąc najprościej, stosunkowo długo. Aby scharakteryzować bezpieczniki pod tym względem, mówi się o zdolności wyłączania. Zdolność wyłączania to po prostu spodziewana wartość prądu zwarciowego, przy którym bezpiecznik skutecznie przerwie obwód. Teraz pytanie: jaką zdolność wyłączania mają popularne i najczęściej stosowane bezpieczniki zwłoczne (T) i szybkie (F)?

Oto przykra niespodzianka – jedne i drugie mają żałośnie małą zdolność wyłączania: 35A przy prądzie przemiennym i 20A przy prądzie stałym. Tymczasem w obwodach sieci energetycznej spodziewane prądy zwarciowe są znacznie większe. Wynika stąd, że w obwodach sieci energetycznej bezpieczniki te nie są w stanie skutecznie i szybko przerwać prądu płynącego przez powstały łuk. Co z tego? Oznacza to na przykład, że popularne bezpieczniki typów T i F absolutnie nie są w stanie ochronić przed zwarciem elementów półprzewodnikowych – konkretnie triaków, tyrystorów, diod, pracujących w obwodach sieci.

Oznaczenia bezpieczników

I tu dochodzimy do bezpieczników oznaczanych literą G, a właściwie FG. Są to specjalne szybkie bezpieczniki o dużej zdolności wyłączania. Od „zwykłych” bezpieczników F różnią się nie tyle charakterystykami według rysunku 1, co zdolnością gaszenia łuku i skracania całkowitego czasu przepływu prądu zwarcia. Bezpieczniki G o typowych wymiarach 5x20mm mają zdolność wyłączania równą 1500A. Teoretycznie, odpowiednio dobrane bezpieczniki typu G są w stanie ochronić przed uszkodzeniem półprzewodniki (np. triaki). Teoretycznie, ponieważ w sieciach o jeszcze większych prądach zwarciowych również one nie są skutecznym zabezpieczeniem.

Poza tym oprócz czasu trwania i prądu zwarcia, w grę wchodzą jeszcze inne czynniki. Precyzyjne dobranie bezpiecznika, a właściwie obwodu zabezpieczającego elementy półprzewodnikowe jest bardzo trudne i wymaga wiedzy znacznie szerszej, niż podana w artykule.

Obecnie ceny półprzewodników są porównywalne z ceną bezpieczników, dlatego w wielu wypadkach rezygnujemy z próby dobrania bezpiecznika typu G, stosujemy zwykły, licząc się z tym, ze w przypadku zwarcia obciążenia triak, tyrystor, MOSFET czy diody pracujące w obwodach sieci ulegną uszkodzeniu i trzeba je będzie wymienić.

Rezystancja i moc

Masz teraz ogólne pojęcie o trzech podstawowych rodzajach bezpieczników. Czy wiesz, jaką rezystancję mają popularne wkładki topikowe? Małą? A jaki spadek napięcia występuje na nich podczas normalnej pracy?

Zajrzyj do tabeli 1 przedstawiającej zmierzone omomierzem rezystancje różnych wkładek.

Tabela 1______________________

T 63mA…………………10Ω
T 125mA…………………6Ω

F 125mA………………..18Q

T315mA………………..1,5Ω

F315mA………………..0,5Ω

T 800mA……………….0,15Ω

F 800mA……………….0,15Ω

Czy rezystancja wkładek o niższych nominałach nie jest zaskakująco duża? Jeśli przykładowo wkładka szybka 125mA ma 18Ω, przy przepływie przez nią prądu 100mA, spadek napięcia wyniesie aż 1,8V. Pomyśl – do jej szybkiego spalenia potrzebny jest prąd nie mniejszy niż 300mA, a w takich warunkach na bezpieczniku musi wystąpić napięcie… 5,4V. Już to pokazuje, dlaczego nie stosujemy bezpiecznika topikowego na wyjściu stabilizatora – rezystancja bezpiecznika ogromnie pogorszyłaby parametry stabilizatora, którego rezystancja wewnętrzna jest rzędu ułamków oma.

Rezystancja wiąże się ze spadkiem napięcia. Normy przewidują maksymalny spadek napięcia na bezpieczniku.

Tabela 2 pokazuje kilka przykładów wybranych z normy.

Tabela 2______________________

Wkładka                     Maksymalny

spadek napięcia

T32mA………………….5V

F32mA…………………10V

G32mA…………………15V

T50mA…………………3,5V

F50mA………………….7V

G50mA…………………10V

TlOOmA………………..2,5V

FlOOmA………………..3,5V

GlOOmA…………………7V

T315mA………………..1,1V

F315mA………………..1.3V

G315mA………………..2,5V

T1A…………………150mV

F1A…………………200mV

G1A………………..1000mV

T3,15A……………….100mV

F3,15A……………….150mV

G3,15A……………….350mV

T10A………………..100mV

T10A………………..120mV

T10A………………..200mV

Przypuszczam, że i to jest zaskoczeniem – kilka czy nawet kilkanaście woltów napięcia na bezpieczniku podczas jego normalnej pracy? W zasadzie nie ma się czemu dziwić. Wszyscy wiemy, że drucik topikowy musi się stopić, a do tego trzeba znacznej ilości ciepła. W normach i katalogach podaje się, że podczas normalnej pracy przy prądzie bliskim nominalnemu we wkładce topikowej może się wydzielać moc od 1,6W (mniejsze nominały) do 4W (nominały powyżej 3,5A).

Jeśli wstawiasz bezpiecznik zwłoczny w obwód sieciowy, nie musisz się tym przejmować. Jeśli jednak bezpiecznik miałby pracować w jakimś nietypowym układzie pracy, trzeba uwzględnić jego rezystancję, spadek napięcia i wynikające z tego konsekwencje. Szczególnie dotyczy to bezpieczników o niższych prądach znamionowych.

Opracowano na podstawie materiału z miesięcznika EDW.

Porównywarka cen sprzętu RTV