Perché i fusibili si bruciano a una corrente specifica?

Di solito specifichiamo la corrente massima che un conduttore (come un fusibile) può gestire senza bruciare. Ma il conduttore non fallisce davvero quando una certa quantità di energia / calore è stata dissipata nel conduttore? Quindi il conduttore è a una temperatura troppo alta e brucia / si scioglie.

Diciamo che ho un fusibile valutato per 10A. Perché è allora che posso far funzionare il fusibile continuamente a una corrente inferiore come 9A senza bruciare anche il fusibile, ma solo un po 'più tardi?

Sappiamo anche che potenza, tensione e corrente sono correlate dalla legge di Ohm. Quindi se abbiamo un fusibile da 10A e ha una resistenza arbitraria come 100 ohm, perché non lo chiamiamo miccia da 1kV (10A * 100 ohm) o miccia da 10kW (10A * 10A * 100 ohm)? Questi numeri sono completamente arbitrari, quindi so che non riflettono la realtà, ma chiariscono il mio punto di vista.

Quindi se abbiamo un fusibile da 10A e ha una resistenza arbitraria come 100 ohm, ...

Questo tipico fusibile da 10 A ha una resistenza di 5 mΩ. Quindi la tua ipotesi è stata fuori da un fattore di circa 20.000. A 10 A la potenza dissipata è data da $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

RESISTENZA: la resistenza di un fusibile è di solito una parte insignificante della resistenza totale del circuito. Poiché la resistenza dei fusibili di amperaggio frazionario può essere di diversi ohm, questo fatto dovrebbe essere preso in considerazione quando li si utilizza in circuiti a bassa tensione. I valori effettivi possono essere ottenuti contattando Littelfuse. Fonte: Guida all'applicazione di Fuseologia di Littlefuse (che merita una lettura).

Il motivo di una maggiore resistenza nei fusibili ampere frazionari è che il filo dei fusibili ha circa la stessa lunghezza della versione da 10 A, ma dovrebbe essere molto più fine da soffiare, ad esempio a 100 mA. Un fusibile da 100 mA può proteggere un circuito che normalmente disegna, diciamo, 50 mA. Se la resistenza del fusibile fosse 1 Ω, si verificherebbe una caduta di 50 mV attraverso di essa in servizio.

Il diametro richiesto di un filo del fusibile può essere calcolato da

... perché non chiamiamo invece un fusibile da 1 kV (10 A * 100 ohm) o un fusibile da 10 kW (10 A * 10 A * 100 ohm)?

Perché è un dispositivo di protezione da sovracorrente . I fusibili hanno già una tensione nominale che significa qualcosa di completamente diverso. Vedi sotto.

Il fusibile richiede diversi valori nominali:

• La corrente (che ritengo abbastanza ovvia).
• La tensione nominale del fusibile. Questo specifica la massima tensione che può interrompere in modo affidabile senza formare e sostenere un arco interno.
• La valutazione del tempo - quanto velocemente soffierà.

L'articolo di Littlefuse tratta tutti questi dettagliatamente, quindi non è necessario riprodurli qui.

1. Il conduttore si guasta quando raggiunge una certa temperatura. Poiché il fusibile è in contatto termico con l'ambiente, può dissipare una certa quantità di energia prima che si bruci.
2. Il fusibile da 10A è progettato per bruciare a 10A (più o meno una certa tolleranza). Quindi dovrebbe funzionare a 9A tutto il giorno.
   • Ma quel fusibile da 10A impiegherà molto tempo a bruciare a 10A, e scoppierà molto più velocemente a 20A e potrebbe comportarsi in modo errato se si spinge 100A attraverso di esso. C'è un'intera scienza, per lo più trascurata, da fondere.
   • E se si utilizza quel fusibile da 10 A a 9 A o 9,8 A tutto il giorno, si surriscalda e si degrada lentamente.
   • Tutto ciò significa che se importa davvero quanto velocemente soffia o quanto dura, è necessario parlare con il produttore dei fusibili.
3. I fusibili sono classificati in ampli perché questo è ciò che interessa alla maggior parte delle persone che installano i fusibili. Il fusibile da 10A ideale non fa cadere la tensione, né si brucia né si degrada nemmeno a un nanoamp inferiore a 10A, ma si brucia immediatamente (o dopo un tempo ben definito) al di sopra. Non esistono micce ideali.
4. Mentre stai riflettendo su tutto questo, potresti voler scavare alcune schede tecniche dei fusibili e guardare . Le buone aziende (Bussman, Littlefuse, ecc.) Lo specificano - e ci sono cose come i fusibili a combustione lenta progettati per sovraccarico temporaneo e i fusibili a combustione rapida progettati per reagire più rapidamente rispetto ai fusibili "ordinari". Se il modo in cui il fusibile deve rispondere non è standard e critico, può diventare piuttosto un esercizio di ingegneria progettarne uno.

Normalmente, un fusibile non sa in quale circuito di tensione è utilizzato - conosce solo la corrente che lo attraversa, quindi è l'unica cosa che può causare il suo scoppio.

I fusibili hanno anche una tensione nominale perché, una volta che il fusibile si brucia, avrà tutta la tensione del circuito attraverso di esso, quindi deve essere progettato per gestire in modo sicuro quella tensione senza arco.

Chiediti: qual è lo scopo di una miccia?

1. Limitare la tensione attraverso il fusibile? No. Questo è inutile.
2. Limitare la potenza che un fusibile sta dissipando internamente? No. Anche questo è inutile.
3. Limitare la corrente che passa attraverso il fusibile? Sorprendentemente no! Il lavoro di una miccia non è proteggersi da nulla. Il compito di un fusibile è proteggere il carico. Quindi supponiamo che ti interessi della corrente nel carico, quindi ti preoccuperesti solo della corrente che il fusibile salta come preoccupazione secondaria poiché le correnti del carico e del fusibile sono uguali
4. Limitare la tensione nel carico? Probabilmente sì, ma ci sono problemi con la classificazione dei fusibili in questo modo di cui parlerò di seguito.
5. Limitare la potenza nel carico? Probabilmente sì, ma ci sono problemi con la classificazione dei fusibili in questo modo di cui parlerò di seguito.
6. Limitare la corrente nel carico? Sì! Lo scopo finale del fusibile è proteggere il carico. Discuterò perché la corrente è più valida della tensione o della potenza in # 4 o # 5

Il carico è re. Una miccia non è progettata per bruciare solo per se stessa. Un fusibile è progettato per proteggere il carico. Ti manca la foresta per gli alberi se tutto ciò su cui ti concentri è quando si brucia la miccia. Alla fine, non mi interessa affatto quale sia la tensione sul fusibile o quanta potenza il fusibile sta dissipando quando si brucia. Quello che mi interessa è che la corrente attraverso il carico sia quando il fusibile salta (e per estensione la corrente nel fusibile quando salta).

Si potrebbe sostenere che si tratta di limitare la potenza AL CARICO o la tensione AL CARICO, ma non è possibile classificare i fusibili in base alla potenza del carico o alla tensione poiché tali numeri dipendono dal carico stesso. In altre parole, ciò significa che il fusibile non può essere valutato in questo modo senza conoscere esattamente le caratteristiche del carico con cui viene utilizzato.

In termini più rigorosi, ciò è dovuto al fatto che la posizione del fusibile nel circuito non gli consente di osservare la potenza o la tensione attraverso il carico. Può solo osservare la corrente che va al carico. Certo, il fusibile può osservare la propria caduta di tensione o potenza dissipata dalla sua posizione nel circuito, ma abbiamo già stabilito che non è rilevante per la protezione del sistema.

Se mi dai un fusibile valutato utilizzando la tensione o i watt su di esso, devo passare attraverso un mucchio di calcoli inutili che tengono conto delle caratteristiche del mio carico solo per capire se la corrente che il fusibile salta sta per proteggere il mio carico da sovracorrente, sovratensione o sovraccarico.

Il punto cruciale da capire è il materiale di cui sono fatti i fili dei fusibili. È semplice, semplice metallo. Tuttavia, il metallo ha la proprietà di essere un conduttore freddo : se si riscalda un filo, diventa sempre meno un conduttore e più un resistore.

Ora, se hai un fusibile che funziona al di sotto del suo limite attuale, trasforma un po 'di energia elettrica in calore, che viene rapidamente dissipato e il filo rimane freddo. Di conseguenza, ha una resistenza molto bassa, quindi solo una piccola quantità di tensione scende sul fusibile.

Quando la corrente attraverso il fusibile sale oltre la soglia, il filo del fusibile diventa più caldo. Ciò significa che la sua resistenza aumenta, che una parte maggiore della tensione scende attraverso il fusibile e, come tale, che trasforma più elettricità in calore. Il calore nel filo del fusibile provoca una maggiore produzione di calore . Questo è un processo auto-amplificante e poiché c'è così tanta energia elettrica disponibile che stava semplicemente scorrendo attraverso il fusibile quando faceva freddo, il fusibile caldo può assorbire molta energia dalla corrente anche prima di influire significativamente sulla tensione dell'apparecchio .

A causa di questo processo di riscaldamento auto-amplificante, il fusibile si surriscalda rapidamente, frenando il circuito.

È vero che il conduttore del fusibile si riscalda in risposta alla corrente che lo attraversa. Il filo stesso è progettato per dissipare quel calore per conduzione nel suo ambiente in modo che il fusibile non si sciolga, fino a quando l'energia che viene dissipata in esso non supera la capacità del filo di allontanare quel calore. Quindi il calore si accumula fino al punto in cui il filo del fusibile si scioglie. Aggiungendo massa al filo, viene aumentata la sua costante di tempo termica che fornisce la capacità di gestire brevi picchi di sovracorrente, risultando in un fusibile di tipo slo-blo .

Ma il conduttore non fallisce davvero quando una certa quantità di energia / calore è stata dissipata nel conduttore? Quindi il conduttore è a una temperatura troppo alta e brucia / si scioglie. [...] Perché è allora che posso far funzionare il fusibile continuamente a una corrente inferiore come 9A senza bruciare anche il fusibile, ma solo un po 'più tardi?

Non importa quanta energia è stata dissipata nella miccia. Ciò che conta è la velocità con cui l'energia viene dissipata nel fusibile (ovvero potenza - I ² R) rispetto alla velocità con cui l'energia viene dissipata dal fusibile attraverso il calore irradiato e la conduzione del calore.

Quando l'energia entra nella miccia più velocemente di quanto non stia uscendo, allora la miccia si riscalda. Quando il fusibile si riscalda, tuttavia, aumenta la velocità con cui l'energia viene dissipata dal fusibile. La temperatura aumenterà fino a quando la potenza termica che fuoriesce dal fusibile corrisponde alla potenza termica in entrata (I ² R).

Quindi il fusibile raggiungerà rapidamente una temperatura di equilibrio determinata dalla corrente. Quando questa temperatura è troppo alta, il fusibile si brucia.

A seconda del materiale del fusibile, potrebbe esplodere quando la temperatura di equilibrio raggiunge il punto di fusione del materiale, oppure potrebbe soffiare per la fuga termica menzionata da @cmaster nella sua risposta. A quel punto, la temperatura crescente nel fusibile aumenta la potenza in più velocemente di quanto aumenta la potenza fuori , e l'equilibrio è perso.

I fusibili sono classificati per la corrente di funzionamento . Un fusibile da 10A non si brucia (o "degrada lentamente") a 9A o anche a 10A. Che sia etichettato 10A significa solo che il produttore garantisce che funzionerà come previsto fintanto che non superi il punteggio.

Ovviamente, ciò significa che un fusibile da 10A non si spegnerà nel momento in cui si superano i 10A. In effetti, se guardi un foglio dati , vedrai che hai bisogno di qualcosa come 20A per bruciare un fusibile da 10A e forse 30 + A se vuoi che accada ragionevolmente rapidamente.

I fusibili hanno anche valori nominali di caduta di tensione, infatti è necessario sia la corrente che la tensione per far saltare un pezzo di filo. Ma dal momento che gli utenti finali in genere desiderano una corrente nominale precisa, i produttori non misurano con precisione la caduta di tensione e forniscono solo un valore tipico / massimo. Immagina di dirti che ho un fusibile da 150 mV / 5 mOhm: pensi che sarebbe sufficiente per proteggere ad esempio un carico di rete da 1kW? Dovrai scoprire la valutazione attuale per dirlo.