Bezpieczniki i ochrona układów elektronicznych

W pierwszej części artykułu omówione były podstawowe zagadnienia związane z bezpiecznikami. Ten odcinek skupiony będzie na ochronie urządzeń elektronicznych. Omówiony zostanie między innymi temat dobierania bezpiecznika do ochrony elementów półprzewodnikowych (triaków, tyrystorów, diod) pracujących w obwodach sieci energetycznej.

 
W pierwszej części artykułu podane były charakterystyki czasowo−prądowe wkładek topikowych. Z charakterystyk wynika, że czym większy prąd, tym czas przerywania obwodu jest krótszy. Obowiązuje tu prosta zależność matematyczna. Wynika ona z faktu, że do zadziałania bezpiecznika potrzebna jest odpowiednia ilość energii cieplnej. Ciepło to powstaje podczas przepływu prądu przez rezystancję bezpiecznika – jest to tak zwane ciepło Joule’a (czyt. dżula). Powstającą ilość ciepła określa znany ze szkoły wzór: E = (I2R) * t. Jeśli przyjmiemy, że energia E potrzebna do stopienia drucika oraz rezystancja drucika są stałe, możemy podać dla każdego bezpiecznika charakterystyczną wartość iloczynu I2t.

Ponieważ w rzeczywistych warunkach, zwłaszcza podczas zwarcia, prąd zmienia swą wartość, prąd należałoby całkować w czasie. Parametr I2t nazywany jest całką Joule’a i podaje się w katalogach. Czym większa wartość I2t, tym trudniej spalić dany bezpiecznik.
Znając wartość I2t oraz prąd, można obliczyć czas zadziałania. Obliczeń takich w praktyce się nie wykonuje. Jednak, wbrew pozorom, wartość całki Joule’a jest przydatna. Jest to parametr określający „łatwość spalenia bezpiecznika”. Co bardzo istotne, parametr ten dotyczy także innych elementów, na przykład diody, triaka czy tyrystora. Co więcej, w katalogach diod, triaków i tyrystorów, zwłaszcza tych przeznaczonych do pracy w obwodach sieci energetycznej, podaje się wartość I2t tych elementów.

I tu doszliśmy do zagadnienia praktycznego. Aby bezpiecznik uchronił przed uszkodzeniem element półprzewodnikowy, wartość I2t bezpiecznika musi być mniejsza od wartości I2t chronionego elementu półprzewodnikowego. Jest to pierwszy warunek do spełnienia przy doborze bezpiecznika do ochrony elementu półprzewodnikowego.

Zwarcie

Potoczne wyobrażenia roli i działania bezpiecznika zupełnie bezpodstawnie podpowiadają, że w chwili zwarcia bezpiecznik zadziała bardzo szybko i ograniczy prąd do wartości bezpiecznej dla elementu półprzewodnikowego. Zazwyczaj tak nie jest, a ponieważ w grę wchodzą dodatkowe zjawiska, warto przyjrzeć się problemowi z bliska. Jak mówiliśmy przed miesiącem, w każdym obwodzie, w tym w sieci energetycznej, możemy mówić o spodziewanym prądzie zwarcia. Zazwyczaj jest on bardzo duży, wynosi setki i tysiące amperów. Taki prąd, nawet płynąc przez krótki czas, niewątpliwie stanowi śmiertelne zagrożenie dla elementów półprzewodnikowych. Rys.1  pokazuje przykład obwodu, gdzie może wystąpić tak groźne zwarcie.

 Rys.1 Przykład wystąpienia zwarcia w obwodzie.

W układzie z Rys. 1 zastosowany bezpiecznik powinien ograniczyć maksymalny prąd do wartości, która nie uszkodzi elementu półprzewodnikowego, w tym wypadku triaka. Nie jest to jednak takie proste, między innymi ze względu na duży spodziewany prąd zwarciowy sieci oraz ze względu na przepięcia.

Przepięcia to mało znane zagrożenie pojawiające się w chwili zwarcia i zadziałania bezpiecznika. Skąd biorą się te przepięcia? Przede wszystkim trzeba pamiętać, że sieć energetyczna, a także każdy obwód zasilający mają jakąś indukcyjność. Jeśli występuje indukcyjność, przepięcia będą się pojawiać przy każdej gwałtownej zmianie prądu, zarówno przy prądzie stałym, jak i zmiennym.  

 Rys.2 Przerwa w obwodzie indukcyjnym.

Rys.2 pokazuje w uproszczeniu sytuację przy przerywaniu obwodu prądu stałego, gdzie wyłącznik F reprezentuje przepalający się bezpiecznik, przerywający przepływ prądu. W chwili przerwania prądu na cewce pojawia się potężny impuls napięcia samoindukcji. Choć przy prądzie zmiennym sytuacja jest nieco inna, trzeba się spodziewać, że w chwili zadziałania bezpiecznika, czyli w chwili przerwania prądu zwarcia, też pojawi się przepięcie. 

 Rys.3 Przebieg napięć i prądów w warunkach szybkiego zwarcia.

Rys.3  pokazuje przebiegi napięcia i prądu w warunkach zwarcia szybkiego bezpiecznika, który jest w stanie rozłączyć obwód w czasie poniżej 10ms, czyli krótszym niż jeden półokres napięcia sieci energetycznej. Przerywana linia niebieska pokazuje przebieg napięcia sieci 220V. Czerwona linia pokazuje przebieg napięcia na przepalającym się bezpieczniku. Przed wystąpieniem zwarcia napięcie na bezpieczniku jest pomijalnie małe. Załóżmy, że zwarcie wystąpi 1 milisekundę po przejściu napięcia sieci przez zero. Na Rys.3 jest to chwila t0. Tuż po zwarciu, w czasie t0...t1 w obwodzie zaczyna gwałtownie rosnąć prąd. Rośnie on według zaznaczonego fioletową linią spodziewanego prądu zwarcia. Tak duży prąd powoduje stosunkowo duży spadek napięcia na druciku topikowym bezpiecznika. Szybkość narastania prądu zależy od indukcyjności sieci oraz od jej „wydajności”. Spodziewane prądy zwarciowe w sieci energetycznej mogą wynosić ponad 1000A. W krótkim czasie (na rysunku 3 około 1,5ms) prąd ten spowoduje rozgrzanie do bardzo wysokiej temperatury i stopienie drucika.

Niestety, obwód wcale nie zostanie przerwany. Zapali się bowiem łuk elektryczny. Oporność tego łuku jest znacznie większa niż wcześniej istniejącego drucika, co odpowiada włączeniu w obwód znacznej rezystancji. Przy znacznie większej rezystancji obwodu prąd powinien gwałtownie zmniejszyć swą wartość. Nie pozwala na to indukcyjność sieci. Jak wiadomo, „indukcyjność nie znosi zmian prądu” − przy próbie zmiany wartości prądu powstaje przepięcie (napięcie samoindukcji), które próbuje utrzymać wcześniejszą wartość prądu. Ponieważ prąd zdążył narosnąć do wartości kilkuset amperów, a rezystancja łuku jest znacznie większa od rezystancji drucika, szczytowa wartość przepięcia, próbującego podtrzymać przepływ tak dużego prądu, może wynosić nawet kilka kilowoltów. Powstałe przepięcie podtrzymuje łuk, niemniej prąd maleje dość szybko. W chwili t2 napięcie i prąd są na tyle małe, że łuk gaśnie. Tym razem prąd gwałtownie maleje do zera. Powoduje to powstanie drugiego przepięcia, którego szczytowa wartość jest zdecydowanie mniejsza niż pierwszego, a to ze względu na mniejszą wartość prądu. W przypadku tego bezpiecznika rozłączenie nastąpiło szybko, w czasie poniżej 10ms. Inny bezpiecznik w innych warunkach pracy (inna indukcyjność, inny prąd zwarcia) rozłączyłby obwód po dużo dłuższym czasie, a w skrajnych warunkach nie rozłączyłby wcale, bo łuk mógłby się utrzymywać na stałe.

Przepięcia

Czerwona linia na Rys.3, pokazująca przebieg napięcia na bezpieczniku udowadnia, że nie ma się z czego cieszyć. Wprawdzie bezpiecznik nie pozwolił, by prąd wzrósł do pełnego spodziewanego prądu zwarcia, jednak prąd i tak zdążył narosnąć do zatrważającej wartości kilkuset amperów, a co gorsza, po− wstało przy tym ogromne przepięcie o amplitudzie ponad dwóch kilowoltów. Przepięcie to pojawi się na elementach obwodu i z pewnością uszkodzi umieszczony w obwodzie element półprzewodnikowy (triak). To kolejna przykra niespodzianka – przyczyną uszkodzenia półprzewodnika wcale nie musi być prąd, może nią być przepięcie powstające w chwili zadziałania bezpiecznika. Mało tego, powstające przepięcie może uszkodzić inne, podobne elementy umieszczone w tej gałęzi sieci. Właśnie dlatego do ochrony elementów półprzewodnikowych, zwłaszcza przy większych mocach, stosuje się dodatkowe środki zaradcze oraz bezpieczniki specjalnej konstrukcji, tak zwane bezpieczniki półprzewodnikowe. Nie znaczy to, że zawierają półprzewodniki − służą one do ochrony półprzewodników. 

Rys. 4 Przebieg napięcia i prądu na bezpieczniku specjalnym.

Rys.4 pokazuje przebiegi napięcia i prądu w przypadku zastosowania specjalnego bezpiecznika półprzewodnikowego. Dzięki specjalnej konstrukcji (m.in. przewężeniom drucika, a właściwie paska topikowego) łuk zapala się jeszcze szybciej, ale nie od razu na całej długości drucika. Zwiększająca się stopniowo rezystancja łuku powoduje przepięcie o wartości znacznie mniejszej niż poprzednio. Ostatecznie proces wyłączenia jest jeszcze szybszy, a powstające przepięcia – znacznie mniejsze.  

Podsumowanie

Poniżej zestawiono nazewnictwo wkładek bezpiecznikowych spotykanych na rynku.

Typy bezpieczników produkcji polskiej:

• WTA    - wkładka aparatowa szybka
• WTA-T - wkładka aparatowa zwłoczna 
• WTA-G - wkładka aparatowa z gasiwem (stosowana do zabezpieczania triaków i tyrystorów)

Typy bezpieczników produkcji zagranicznej (zgodne z normą IEC):

• TT - zwłoczne
• T - opóźnione
• M - średnio szybkie
• F - szybkie
• FF - bardzo szybkie 

Charakterystyki bezpieczników zgodnych z normą IEC zostały przedstawione na rysunku poniżej.

Rys. 5 Charakterystyki bezpieczników zgodnych z normą IEC.

 żródło: Elektronika Dla Wszystkich (3/2001)