Bezpieczniki miniaturowe w obwodach prądu stałego

Fot. 1. Bezpiecznik SMD, który nie wyłączył prądu prawidłowo

Kiedy przez bezpiecznik przepływa prąd zwarciowy, po pewnym czasie topik wewnątrz bezpiecznika ulega stopieniu. Przy odpowiednio dużym napięciu i prądzie zwarciowym w bezpieczniku powstaje łuk elektryczny. Łuk ten umożliwia dalszy przepływ prądu, powodując wydłużenie czasu trwania zwarcia. W przypadku prądu przemiennego, przejście prądu przez zero "pomaga" zgasić łuk.

Ponieważ przejście prądu przez zero nie występuje w przypadku prądu stałego, gdy dozwolone napięcie znamionowe stałe zostanie przekroczone, łuk może wydłużyć się aż do okuć wkładki, wytopić w nich otwory a nawet spowodować rozerwanie korpusu bezpiecznika, ponieważ nie wytrzymuje on tak ekstremalnie wysokich temperatur i ciśnień.

W rezultacie następuje niekontrolowane wydostanie się zjonizowanej plazmy z wnętrza bezpiecznika, co może spowodować wystąpienie nowych zwarć na płytce obwodu drukowanego. Nierzadko w takich przypadkach, na płytce pojawiają się ślady zwęglenia. W ekstremalnych przypadkach może to nawet doprowadzić do powstania pożaru.

Kiedy można zastosować bezpieczniki przy prądzie stałym?

Fot. 2. Bezpieczniki miniaturowe

Sposób, w jaki bezpieczniki wyłączają prąd stały, zależy w dużym stopniu od ich budowy oraz charakterystyki.

Przedstawiony na zdjęciu bezpiecznik nieprawidłowo wyłączający prąd jest przykładem bezpieczników bez gasiwa. Określenie gasiwo oznacza substancję wypełniającą korpus bezpiecznika, która zapobiega rozprzestrzenianiu się łuku wewnątrz bezpiecznika w sposób niekontrolowany. Wśród najbardziej popularnych gasiw znajdują się: piasek kwarcowy oraz szklane kuleczki.

To właśnie do bezpieczników bez gasiwa odnosi się początkowe stwierdzenie "W obwodach prądu stałego bezpiecznik może pracować przy napięciu o połowę mniejszym od napięcia przewidzianego dla prądu zmiennego" - zasada ta sprawdza się przynajmniej częściowo. Należy jednak zachować ostrożność: w pewnych okolicznościach nawet połowa napięcia może okazać się krytyczna dla bezpiecznika!

Skoncentrujmy się zatem raczej na bezpiecznikach odpowiednich do aplikacji na prąd stały. Dostępnych jest wiele takich bezpieczników, szczególnie na bardzo niskie napięcia, do około 65 V prądu stałego. Spowodowane jest to faktem, że w tym zakresie napięć tworzą się wyłącznie łuki o małej energii, umożliwiając bezpieczne wyłączenie prądu nawet przez bardzo małe bezpieczniki.

Zestawienie różnych bezpieczników, które można stosować również w obwodach prądu stałego

Sytuacja zmienia się jednak przy napięciach przekraczających 100 V. Przy takich napięciach stosowane są zazwyczaj bezpieczniki o korpusach ceramicznych i z odpowiednim wypełnieniem. W takim przypadku maksymalne dopuszczalne napięcie, przy którym bezpiecznik prawidłowo wyłączy prąd, zależy od wielkości, materiału, prądu znamionowego, a także od charakterystyki czasowo-prądowej bezpiecznika miniaturowego.

Podczas gdy bezpieczniki ultraszybkie (FF) - przeznaczone głownie do zabezpieczania zwarciowego - są często stosowane przy wysokich napięciach stałych, napięcia znamionowe osiągane przez bezpieczniki zwłoczne (T) o takiej samej budowie, są dużo niższe niż te osiągane przez ultraszybkie.

Osoby z pewnym doświadczeniem w pracy z bezpiecznikami mogą sobie zadać pytanie, dlaczego w ogóle istnieją bezpieczniki, których napięcie znamionowe stałe jest większe od ich napięcia znamionowego przemiennego. Czy jest to zjawisko prawidłowe? Tak, to jest zjawisko prawidłowe! Bezpiecznik odpowiedni do prądu stałego jest w stanie zgasić łuk, ale w przypadku zastosowania w obwodzie prądu przemiennego musi poradzić sobie z wartością szczytową napięcia.

Dlatego jest oczywiste, że wartość szczytowa napięcia odgrywa istotną rolę. Jednak nie tylko wartość napięcia stałego ma wpływ na zdolność wyłączania bezpiecznika. Innym decydującym czynnikiem jest stała czasowa obwodu zwarciowego. Stała czasowa obliczana jest jako iloraz L/R z uwzględnieniem reaktancji elementów składowych obwodu zwarciowego.

Dla większości zastosowań stała czasowa nie przekracza 10 ms, a nawet jest mniejsza od 3 ms w obwodach zasilanych z akumulatora. Im wyższa stała czasowa, tym niższe napięcie stałe, przy którym może zostać użyta wkładka topikowa.

Na przykład stałe czasowe 100 ms w obwodach prądu stałego mogą spowodować konieczność obniżenia znamionowego napięcia stałego wkładek topikowych do wartości mniejszej niż 50% ich znamionowego napięcia przemiennego. Z drugiej strony, ze względu na oscylacje napięcia w obwodzie pośredniczącym prądu stałego przemiennika częstotliwości, maksymalne napięcie stałe może być większe od znamionowego napięcia przemiennego (wartość skuteczna) wkładki topikowej.

Jaką zdolność wyłączania mają bezpieczniki?

Zatem jaką zdolność wyłączania mają bezpieczniki miniaturowe firmy SIBA? W znacznym stopniu zależy to od ich konstrukcji; jednakże bezpieczniki 6,3 ×32 mm z pewnością nadają się jako zabezpieczenie zwarciowe w przypadku małych prądów znamionowych i napięć do 1000 V_DC. W ramce przedstawiono krótkie zestawienie różnych bezpieczników, które można stosować również w obwodach prądu stałego.

Praktyczne zastosowania

Fot. 3. W systemach oświetlenia awaryjnego stosuje się systemy baterii centralnej o dużej pojemności. Z lewej strony widoczna bateria centralna CPS220/64 firmy Inotec. Gdy w przypadku awarii prądu bateria ta musi zapewnić zasilanie awaryjne, bezpieczniki powinny być w stanie wyłączyć duże prądy zwarciowe (DC)

Bardzo typowe zastosowania dla bezpieczników to obwody prądu stałego zasilania awaryjnego lub systemów oświetlenia awaryjnego. Bardzo często takie systemy mają cechę szczególną - przy normalnym trybie pracy systemy te zasilane są typowym napięciem przemiennym z sieci 230 V, które jako takie nie stanowi specjalnego wyzwania dla bezpieczników.

Dopiero w przypadku włączenia w trybie zasilania awaryjnego z baterii akumulatorów o bardzo dużej pojemności od bezpiecznika wymaga się, aby był w stanie prawidłowo wyłączyć również prądy stałe. Niestety bezpiecznik nie może być wymieniony w razie potrzeby, jest więc oczywiste, że musi być dostosowany do dwóch trybów pracy: przy prądzie stałym oraz przy prądzie przemiennym.

Szczególnie w przypadkach zasilania awaryjnego powinno się dodatkowo uwzględnić wartość prądu zwarciowego spodziewanego. Nierzadko zastosowane w systemie baterie akumulatorów mają prąd zwarciowy większy niż 6000 A i wtedy staje się oczywiste, że w takich sytuacjach bezpiecznik powinien zostać dobrany ze szczególną starannością. Nie wszystkie bezpieczniki są w stanie wyłączyć prawidłowo prąd stały o dużej wartości, co może doprowadzić do poważnych uszkodzeń.

Andreas Grunig,
inżynier zastosowań SIBA GmbH
SIBA Polska Sp. z o.o.
www.siba-bezpieczniki.pl