Warum brennen Sicherungen bei einem bestimmten Strom?

Normalerweise geben wir den maximalen Strom an , den ein Leiter (z. B. eine Sicherung) verarbeiten kann, ohne zu brennen. Aber versagt der Leiter nicht wirklich, wenn eine bestimmte Menge an Energie / Wärme im Leiter abgeführt wurde? Dann hat der Leiter eine zu hohe Temperatur und brennt / schmilzt.

Angenommen, ich habe eine Sicherung, die für 10 A ausgelegt ist. Warum kann ich dann die Sicherung kontinuierlich mit einem niedrigeren Strom wie 9 A betreiben, ohne dass die Sicherung auch brennt, aber nur ein bisschen später?

Wir wissen auch, dass Leistung, Spannung und Strom durch das Ohmsche Gesetz zusammenhängen. Wenn wir also eine 10-A-Sicherung haben und einen willkürlichen Widerstand wie 100 Ohm, warum nennen wir sie nicht stattdessen 1-kV-Sicherung (10A * 100 Ohm) oder 10-kW-Sicherung (10A * 10A * 100 Ohm)? Diese Zahlen sind völlig willkürlich, daher weiß ich, dass sie nicht die Realität widerspiegeln, aber sie machen meinen Standpunkt klar.

Wenn wir also eine 10-A-Sicherung haben und einen beliebigen Widerstand wie 100 Ohm haben, ...

Diese typische 10-A-Sicherung hat einen Widerstand von 5 mΩ. Ihre Vermutung war also um den Faktor 20.000 verfälscht. Bei 10 A ist die Verlustleistung gegeben durch $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

WIDERSTAND: Der Widerstand einer Sicherung ist normalerweise ein unbedeutender Teil des Gesamtwiderstandes des Stromkreises. Da der Widerstand von Sicherungen mit Teilstromstärke mehrere Ohm betragen kann, sollte diese Tatsache bei der Verwendung in Niederspannungskreisen berücksichtigt werden. Aktuelle Werte erhalten Sie bei Littelfuse. Quelle: Littlefuse Fuseology Application Guide (eine Lektüre lohnt sich).

Der Grund für den höheren Widerstand bei fraktionierten Ampere-Sicherungen liegt darin, dass der Sicherungsdraht ungefähr die gleiche Länge wie die 10-A-Version hat, jedoch viel feiner sein muss, um beispielsweise 100 mA durchzubrennen. Eine 100-mA-Sicherung kann einen Stromkreis schützen, der normalerweise z. B. 50 mA verbraucht. Wenn der Sicherungswiderstand 1 Ω wäre, würde im Betrieb ein Spannungsabfall von 50 mV auftreten.

Der erforderliche Durchmesser eines Sicherungsdrahtes kann aus berechnet werden

... warum nennen wir es nicht stattdessen 1kV-Sicherung (10 A * 100 Ohm) oder 10 kW-Sicherung (10 A * 10 A * 100 Ohm)?

Da es sich um eine Überstromschutzeinrichtung. Sicherungen haben bereits eine Nennspannung, die etwas völlig anderes bedeutet. Siehe unten.

Die Sicherung benötigt mehrere Nennwerte:

• Der Strom (was meiner Meinung nach offensichtlich genug ist).
• Die Nennspannung der Sicherung. Dies gibt die maximale Spannung an, die zuverlässig unterbrochen werden kann, ohne einen internen Lichtbogen zu bilden und aufrechtzuerhalten.
• Die Zeitbewertung - wie schnell es bläst.

Der Littlefuse-Artikel behandelt all dies sehr detailliert, so dass es nicht erforderlich ist, es hier zu reproduzieren.

1. Der Leiter versagt, wenn er eine bestimmte Temperatur erreicht. Da die Sicherung in thermischem Kontakt mit der Umgebung steht, kann sie eine bestimmte Menge an Energie abgeben, bevor sie durchbrennt.
2. Ihre 10-A-Sicherung ist so ausgelegt, dass sie bei 10 A durchbrennt (plus oder minus einer Toleranz). Also sollte es den ganzen Tag bei 9A laufen.
   • Aber diese 10A-Sicherung benötigt eine gute Zeit, um bei 10A durchzubrennen, und wird bei 20A viel schneller durchbrennen und kann sich schlecht verhalten, wenn Sie 100A durchschieben. Es gibt eine ganze, größtenteils vernachlässigte Wissenschaft über Sicherungen.
   • Und wenn Sie diese 10A-Sicherung den ganzen Tag über mit 9A oder 9,8A betreiben, wird sie heiß und verschlechtert sich langsam.
   • Das heißt, wenn es wirklich darauf ankommt, wie schnell es durchbrennt oder wie lange es dauert, müssen Sie mit dem Sicherungshersteller sprechen.
3. Sicherungen werden in Ampere angegeben, da sich die meisten Leute, die Sicherungen installieren, darum kümmern. Die ideale 10-A-Sicherung fällt keine Spannung ab und löst auch bei einer Nanoamperezahl unter 10 A weder durch noch wird sie abgebaut, sondern löst unmittelbar (oder nach einer genau definierten Zeit) darüber aus. Es existieren keine idealen Sicherungen.
4. Während Sie über all dies nachdenken, möchten Sie vielleicht einige Sicherungsdatenblätter ausgraben und nachsehen . Die guten Unternehmen (Bussman, Littlefuse usw.) spezifizieren dies - und es gibt solche Dinge wie träge Sicherungen, die für vorübergehende Überlastung ausgelegt sind, und träge Sicherungen, die so ausgelegt sind, dass sie schneller reagieren als "normale" Sicherungen. Wenn die Art und Weise, in der die Sicherung ansprechen muss, nicht dem Standard entspricht und kritisch ist, kann es durchaus eine technische Aufgabe sein, eine Sicherung zu entwerfen.

Normalerweise weiß eine Sicherung nicht, in welchem ​​Spannungskreis sie verwendet wird - sie kennt nur den Strom, der durch sie fließt, und das ist das Einzige, was zum Durchbrennen führen kann.

Sicherungen haben auch eine Nennspannung, da die Sicherung nach dem Durchbrennen die volle Stromkreisspannung aufweist. Daher muss sie so ausgelegt sein, dass sie diese Spannung ohne Lichtbogenbildung sicher handhaben kann.

Fragen Sie sich: Was ist der Zweck einer Sicherung?

1. Spannung an der Sicherung begrenzen? Nein, das ist sinnlos.
2. Begrenzen Sie die Leistung, die eine Sicherung intern verbraucht? Nein, das ist auch sinnlos.
3. Begrenzen Sie den Strom, der durch die Sicherung fließt? Überraschenderweise nein! Die Aufgabe einer Sicherung ist es nicht, sich vor irgendetwas zu schützen. Die Aufgabe einer Sicherung ist es, die Last zu schützen. Angenommen, Sie interessieren sich für den Strom in der Last, dann interessiert Sie nur der Strom, bei dem die Sicherung durchbrennt, als sekundäres Problem, da der Last- und der Sicherungsstrom zufällig gleich sind
4. Spannung in der Last begrenzen? Ja, aber es gibt Probleme bei der Bewertung von Sicherungen, auf die ich weiter unten eingehen werde.
5. Die Leistung in der Last begrenzen? Ja, aber es gibt Probleme bei der Bewertung von Sicherungen, auf die ich weiter unten eingehen werde.
6. Strom in der Last begrenzen? Ja! Die Sicherung dient letztendlich zum Schutz der Last. Ich werde diskutieren, warum Strom in # 4 oder # 5 gültiger ist als Spannung oder Leistung

Die Ladung ist König. Eine Sicherung ist nicht dazu gedacht, um ihrer selbst willen durchzubrennen. Eine Sicherung schützt die Last. Sie vermissen den Wald vor Bäumen, wenn Sie sich nur darauf konzentrieren, wann die Sicherung durchbrennt. Letztendlich ist es mir egal, welche Spannung an der Sicherung anliegt oder wie viel Strom die Sicherung beim Durchbrennen verbraucht. Was mir wichtig ist, ist der Strom durch die Last, wenn die Sicherung durchbrennt (und im weiteren Sinne der Strom in der Sicherung, wenn sie durchbrennt).

Sie könnten argumentieren, dass es die Leistung AN DER LAST oder die Spannung AN DER LAST begrenzen soll, aber Sie können Sicherungen nicht basierend auf der Lastleistung oder der Spannung bewerten, da diese Zahlen von der Last selbst abhängen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Sicherung nicht so bewertet werden kann, ohne genau die Eigenschaften der Last zu kennen, mit der sie verwendet wird.

Strenger ausgedrückt, liegt dies daran, dass die Position der Sicherung im Stromkreis es nicht ermöglicht, die Leistung oder Spannung über der Last zu beobachten. Es kann nur den Strom beobachten, der zur Last fließt. Sicher, die Sicherung kann ihren eigenen Spannungsabfall oder Leistungsverlust von ihrer Position im Stromkreis beobachten, aber wir haben bereits festgestellt, dass dies für den Schutz des Systems nicht relevant ist.

Wenn Sie mir eine Sicherung geben, die anhand der Spannung oder der Wattzahl bewertet wurde, muss ich eine Reihe unnötiger Berechnungen durchführen, die die Eigenschaften meiner Last berücksichtigen, um herauszufinden, ob der Strom, mit dem die Sicherung durchbrennt, zu schützen ist Meine Last durch Überstrom, Überspannung oder Überlastung.

Der entscheidende Punkt zum Verständnis ist das Material, aus dem die Sicherungsdrähte bestehen. Es ist schlichtes, einfaches Metall. Metall hat jedoch die Eigenschaft, ein kalter Leiter zu sein : Wenn Sie einen Draht erwärmen, wird er immer weniger zum Leiter und mehr zum Widerstand.

Wenn Sie nun eine Sicherung haben, die unter ihrer Stromgrenze arbeitet, wandelt sie ein kleines Stück elektrische Energie in Wärme um, die schnell abgeführt wird, und der Draht bleibt kühl. Dementsprechend hat es einen sehr geringen Widerstand, so dass nur eine geringe Menge an Spannung an der Sicherung abfällt.

Wenn der Strom durch die Sicherung über die Schwelle ansteigt, wird der Sicherungsdraht wärmer. Dies bedeutet, dass sein Widerstand steigt, ein größerer Teil der Spannung über der Sicherung abfällt und somit mehr Strom in Wärme umgewandelt wird. Durch die Wärme im Sicherungsdraht wird mehr Wärme erzeugt . Dies ist ein sich selbst verstärkender Vorgang. Da so viel elektrische Energie zur Verfügung steht, die in kaltem Zustand einfach durch die Sicherung fließt, kann die heiße Sicherung viel Strom verbrauchen, noch bevor die Spannung am Gerät erheblich beeinträchtigt wird .

Aufgrund dieses selbstverstärkenden Aufheizprozesses wird die Sicherung schnell überhitzt und bremst den Stromkreis.

Es ist wahr, dass sich der Sicherungsleiter als Reaktion auf den durch ihn fließenden Strom erwärmt. Der Draht selbst ist so konstruiert, dass er diese Wärme durch Wärmeleitung an die Umgebung abgibt, damit die Sicherung nicht schmilzt - bis die darin abgeführte Energie die Fähigkeit des Drahtes übersteigt, diese Wärme abzuleiten. Dann baut sich die Wärme bis zu dem Punkt auf, an dem der Sicherungsdraht schmilzt. Durch Hinzufügen von Masse zu dem Draht wird seine thermische Zeitkonstante erhöht, wodurch er in der Lage ist, kurzzeitige Überspannungen von Überströmen zu bewältigen, was zu einer Slo-Blo- Sicherung führt.

Aber versagt der Leiter nicht wirklich, wenn eine bestimmte Menge an Energie / Wärme im Leiter abgeführt wurde? Dann hat der Leiter eine zu hohe Temperatur und brennt / schmilzt. [...] Warum kann ich dann die Sicherung dauerhaft mit einem niedrigeren Strom wie 9A betreiben, ohne dass die Sicherung auch brennt, aber nur ein bisschen später?

Es spielt keine Rolle, wie viel Energie in der Sicherung verbraucht wurde. Entscheidend ist die Geschwindigkeit, mit der Energie in die Sicherung abgegeben wird (das ist Leistung - I ² R), verglichen mit der Geschwindigkeit, mit der Energie aus der Sicherung über Strahlungswärme und Wärmeleitung abgegeben wird.

Wenn die Energie schneller in die Sicherung fließt als sie ausgeht, erwärmt sich die Sicherung. Wenn sich die Sicherung erwärmt, steigt jedoch die Rate, mit der Energie aus der Sicherung abgeleitet wird. Die Temperatur steigt so lange an, bis die aus der Sicherung fließende Wärmeleistung der eingespeisten Wärmeleistung entspricht (I ² R).

So erreicht die Sicherung schnell eine durch den Strom bestimmte Gleichgewichtstemperatur. Wenn diese Temperatur zu hoch ist, löst die Sicherung aus.

Abhängig vom Sicherungsmaterial könnte es durchbrennen, wenn die Gleichgewichtstemperatur den Materialschmelzpunkt erreicht, oder es könnte durch das thermische Durchgehen durchbrennen, das @cmaster in seiner Antwort erwähnt. Zu diesem Zeitpunkt erhöht die zunehmende Temperatur in Sicherungsleistung in schneller als Leistung erhöht heraus , und das Gleichgewicht verloren.

Sicherungen sind für den Betriebsstrom ausgelegt . Eine 10A-Sicherung löst bei 9A oder sogar bei 10A nicht aus (oder "verringert sich langsam"). Dass es mit 10A gekennzeichnet ist, bedeutet nur, dass der Hersteller garantiert, dass es wie erwartet funktioniert, solange Sie die Nennleistung nicht überschreiten.

Dies bedeutet natürlich, dass eine 10A-Sicherung nicht durchbrennt, sobald Sie 10A überschreiten. In der Tat, wenn Sie in einem Datenblatt suchen , dass Sie ungefähr 20 A benötigen, um eine 10-A-Sicherung überhaupt durchzubrennen, und vielleicht 30 + A, wenn Sie möchten, dass dies relativ schnell geschieht.

Sicherungen haben auch Nennspannungsabfälle. Tatsächlich benötigen Sie sowohl Strom als auch Spannung, um ein Stück Draht in die Luft zu jagen. Da Endbenutzer jedoch in der Regel eine genaue Nennstromstärke wünschen, messen die Hersteller den Spannungsabfall nicht genau und geben nur einen typischen / maximalen Wert dafür an. Stellen Sie sich vor, ich sage Ihnen, dass ich eine 150-mV / 5-mOhm-Sicherung habe: Glauben Sie, dass dies ausreichen würde, um z. B. eine 1-kW-Netzlast zu schützen? Sie müssen die aktuelle Bewertung herausfinden, um zu sagen.