Pourquoi les fusibles brûlent-ils à un courant spécifique?

Nous spécifions généralement le courant maximum qu'un conducteur (tel qu'un fusible) peut gérer sans brûler. Mais le conducteur n'est-il pas vraiment défaillant lorsqu'une certaine quantité d' énergie / chaleur a été dissipée dans le conducteur? Ensuite, le conducteur est à une température trop élevée et brûle / fond.

Disons que j'ai un fusible évalué à 10 A. Pourquoi est-il alors possible de faire fonctionner le fusible en continu à un courant inférieur comme 9A sans que le fusible ne brûle aussi, mais juste un peu plus tard?

Nous savons également que la puissance, la tension et le courant sont liés par la loi d'Ohm. Donc, si nous avons un fusible 10A, et qu'il a une résistance arbitraire telle que 100 ohms, pourquoi ne l'appellerions-nous pas à la place fusible 1kV (10A * 100 ohms) ou fusible 10kW (10A * 10A * 100 ohms)? Ces chiffres sont complètement arbitraires, donc je sais qu'ils ne reflètent pas la réalité, mais ils clarifient mon propos.

Donc, si nous avons un fusible 10A, et qu'il a une résistance arbitraire telle que 100 ohms, ...

Ce fusible typique de 10 A a une résistance de 5 mΩ. Donc, votre supposition a été divisée par environ 20 000. À 10 A, la puissance dissipée est donnée par $P = I^2R = 10^2 \times 5m = 500 \ \text {mW}$ .

RÉSISTANCE: La résistance d'un fusible est généralement une partie insignifiante de la résistance totale du circuit. Comme la résistance des fusibles à ampérage fractionnaire peut être de plusieurs ohms, ce fait doit être pris en compte lors de leur utilisation dans des circuits basse tension. Les valeurs réelles peuvent être obtenues en contactant Littelfuse. Source: Littlefuse Fuseology Application Guide (qui vaut la peine d'être lu).

La raison d'une résistance plus élevée dans les fusibles à ampères fractionnaires est que le fil du fusible est à peu près de la même longueur que la version 10 A, mais devrait être beaucoup plus fin pour souffler, par exemple, 100 mA. Un fusible de 100 mA peut protéger un circuit consommant normalement, disons, 50 mA. Si la résistance du fusible était de 1 Ω, il y aurait alors une chute de 50 mV en service.

Le diamètre requis d'un fil fusible peut être calculé à partir de

... pourquoi ne pas plutôt l'appeler fusible 1kV (10 A * 100 ohms), ou fusible 10 kW (10 A * 10 A * 100 ohms)?

Parce que c'est un dispositif de protection contre les surintensités . Les fusibles ont déjà une tension nominale qui signifie quelque chose de complètement différent. Voir ci-dessous.

Le fusible a besoin de plusieurs évaluations:

• Le courant (qui je pense est assez évident).
• La tension nominale du fusible. Cela spécifie la tension maximale qu'il peut rompre de manière fiable sans former et entretenir un arc interne.
• L'estimation du temps - la vitesse à laquelle il explosera.

L'article Littlefuse couvre tout cela en détail, il n'est donc pas nécessaire de le reproduire ici.

1. Le conducteur tombe en panne lorsqu'il atteint une certaine température. Le fusible étant en contact thermique avec la température ambiante, il peut dissiper une certaine quantité d'énergie avant de sauter.
2. Votre fusible 10A est conçu pour sauter à 10A (plus ou moins une certaine tolérance). Il devrait donc fonctionner à 9A toute la journée.
   • Mais ce fusible de 10 A mettra beaucoup de temps à souffler à 10A, et soufflera beaucoup plus rapidement à 20A, et peut mal se comporter si vous enfoncez 100A à travers. Il y a toute une science, la plupart du temps négligée, sur les fusibles.
   • Et si vous utilisez ce fusible 10A à 9A ou 9.8A toute la journée, il fonctionnera à chaud et se dégradera lentement.
   • Ce qui signifie que si la vitesse à laquelle il saute ou combien de temps dure, vous devez en parler au fabricant de fusibles.
3. Les fusibles sont évalués en ampères parce que c'est ce que la plupart des gens qui installent des fusibles se soucient. Le fusible 10A idéal ne laisse tomber aucune tension et ne souffle ni ne se dégrade même à un nanoampère en dessous de 10A, mais saute immédiatement (ou après un temps bien défini) au-dessus de cela. Aucun fusible idéal n'existe.
4. Pendant que vous réfléchissez à tout cela, vous voudrez peut-être trouver des fiches techniques sur les fusibles et les regarder . Les bonnes entreprises (Bussman, Littlefuse, etc.) le précisent - et il y a des choses comme les fusibles à fusion lente qui sont conçus pour une surcharge temporaire et les fusibles à fusion rapide qui sont conçus pour réagir plus rapidement que les fusibles "ordinaires". Si la façon dont le fusible doit réagir est non standard et critique, cela peut devenir tout à fait un exercice d'ingénierie pour en concevoir un.

Normalement, un fusible ne sait pas dans quel circuit de tension il est utilisé - il ne connaît que le courant qui le traverse, c'est donc la seule chose qui peut le faire sauter.

Les fusibles ont également une tension nominale car, une fois le fusible sauté, il aura la tension du circuit complet à travers lui, il doit donc être conçu pour gérer en toute sécurité cette tension sans arc.

Demandez-vous: à quoi sert un fusible?

1. Limiter la tension aux bornes du fusible? Non, c'est inutile.
2. Limiter la puissance qu'un fusible dissipe en interne? Non, c'est aussi inutile.
3. Limiter le courant traversant le fusible? Étonnamment, non! Le travail d'un fusible n'est pas de se protéger de quoi que ce soit. Le travail d'un fusible est de protéger la charge. Supposons donc que vous vous souciez du courant dans la charge, alors vous ne vous soucieriez que du courant auquel le fusible souffle en tant que préoccupation secondaire car les courants de charge et de fusible sont les mêmes
4. Limiter la tension dans la charge? On peut dire que oui, mais il y a des problèmes d'évaluation des fusibles de cette façon dont je parlerai ci-dessous.
5. Limitez la puissance dans la charge? On peut dire que oui, mais il y a des problèmes d'évaluation des fusibles de cette façon dont je parlerai ci-dessous.
6. Limiter le courant dans la charge? Oui! Le but ultime du fusible est de protéger la charge. Je vais expliquer pourquoi le courant est plus valide que la tension ou la puissance en # 4 ou # 5

La charge est reine. Un fusible n'est pas conçu pour sauter juste pour lui-même. Un fusible est conçu pour protéger la charge. Vous manquez la forêt pour les arbres si tout ce sur quoi vous vous concentrez, c'est quand le fusible saute. En fin de compte, je ne me soucie PAS du tout de la tension aux bornes du fusible ou de la puissance dissipée par le fusible lorsqu'il saute. Ce qui m'importe, c'est le courant traversant la charge, c'est quand le fusible saute (et par extension le courant dans le fusible quand il saute).

Vous pourriez dire que c'est pour limiter la puissance À LA CHARGE ou la tension À LA CHARGE, mais vous ne pouvez pas évaluer les fusibles en fonction de la puissance de charge ou de la tension, car ces nombres dépendent de la charge elle-même. En d'autres termes, cela signifie que le fusible ne peut pas être évalué de cette manière sans connaître exactement les caractéristiques de la charge avec laquelle il est utilisé.

En termes plus rigoureux, cela est dû au fait que la position du fusible dans le circuit ne lui permet pas d'observer la puissance ou la tension aux bornes de la charge. Il ne peut qu'observer le courant allant à la charge. Bien sûr, le fusible peut observer sa propre chute de tension ou sa puissance dissipée à partir de sa position dans le circuit, mais nous avons déjà établi que cela n'est pas pertinent pour protéger le système.

Si vous me donnez un fusible évalué en fonction de la tension ou des watts à travers, je dois passer par un tas de calculs inutiles qui prennent en compte les caractéristiques de ma charge juste pour comprendre si le courant que le fusible souffle va être destiné à protéger ma charge de surintensité, surtension ou surcharge.

Le point crucial à comprendre est le matériau dont sont faits les fils de fusible. C'est du métal simple et simple. Cependant, le métal a la propriété d'être un conducteur froid : si vous chauffez un fil, il devient de moins en moins conducteur et plus résistant.

Maintenant, si vous avez un fusible qui fonctionne en dessous de sa limite de courant, il transforme un tout petit peu d'énergie électrique en chaleur, qui se dissipe rapidement et le fil reste froid. En conséquence, il a une très faible résistance, donc seule une infime quantité de tension chute au niveau du fusible.

Lorsque le courant traversant le fusible dépasse le seuil, le fil du fusible devient plus chaud. Cela signifie que sa résistance augmente, qu'une plus grande partie de la tension chute à travers le fusible et, en tant que telle, qu'elle transforme plus d'électricité en chaleur. La chaleur dans le fil du fusible provoque la production de plus de chaleur . Il s'agit d'un processus d'auto-amplification, et comme il y a tellement d'énergie électrique disponible qui coulait simplement à travers le fusible lorsqu'il était froid, le fusible chaud peut tirer beaucoup d'énergie du courant avant même d'avoir un impact significatif sur la tension de l'appareil. .

En raison de ce processus de chauffage auto-amplificateur, le fusible surchauffe rapidement, freinant le circuit.

Il est vrai que le conducteur du fusible se réchauffe en réponse au courant qui le traverse. Le fil lui-même est conçu pour dissiper cette chaleur par conduction dans son environnement afin que le fusible ne fond pas - jusqu'à ce que la puissance qui y est dissipée dépasse la capacité du fil à évacuer cette chaleur. Ensuite, la chaleur monte au point où le fil du fusible fond. En ajoutant de la masse au fil, sa constante de temps thermique est augmentée, ce qui lui permet de gérer de brèves surtensions de surintensité, ce qui entraîne un fusible lent .

Mais le conducteur n'est-il pas vraiment défaillant lorsqu'une certaine quantité d'énergie / chaleur a été dissipée dans le conducteur? Ensuite, le conducteur est à une température trop élevée et brûle / fond. [...] Pourquoi est-il alors possible de faire fonctionner le fusible en continu à un courant inférieur comme 9A sans que le fusible ne brûle aussi, mais juste un peu plus tard?

Peu importe la quantité d'énergie qui a été dissipée dans le fusible. Ce qui importe, c'est la vitesse à laquelle l'énergie est dissipée dans le fusible (c'est la puissance - I ² R) par rapport à la vitesse à laquelle l'énergie est dissipée hors du fusible via la chaleur rayonnée et la conduction thermique.

Lorsque l'énergie entre dans le fusible plus rapidement qu'elle n'en sort, le fusible se réchauffe. Cependant, lorsque le fusible se réchauffe, la vitesse à laquelle l'énergie est dissipée hors du fusible augmente. La température augmentera jusqu'à ce que la puissance thermique sortant du fusible corresponde à la puissance thermique entrant (I ² R).

Le fusible atteindra donc rapidement une température d'équilibre déterminée par le courant. Lorsque cette température est trop élevée, le fusible sautera.

Selon le matériau du fusible, il pourrait exploser lorsque la température d'équilibre atteint le point de fusion du matériau, ou il pourrait souffler par l'emballement thermique que @cmaster mentionne dans sa réponse. A ce moment - là, la température augmente dans le fusible augmente la puissance en plus vite qu'il augmente la puissance hors , et l'équilibre est perdu.

Les fusibles sont prévus pour le courant de fonctionnement . Un fusible de 10A ne sautera pas (ou ne "se dégradera lentement") qu'à 9A, ou même à 10A. Le fait qu'il soit étiqueté 10A signifie uniquement que le fabricant garantit qu'il fonctionnera comme prévu tant que vous ne dépassez pas la note.

Évidemment, cela signifie qu'un fusible de 10A ne sautera pas au moment où vous dépassez 10A. En fait, si vous regardez dans une fiche technique , vous verrez que vous avez besoin de quelque chose comme 20A pour faire sauter un fusible de 10A, et peut-être 30 + A si vous voulez que cela se produise assez rapidement.

Les fusibles ont également des taux de chute de tension.En effet, vous avez besoin à la fois de courant et de tension pour faire sauter un morceau de fil. Mais comme les utilisateurs finaux veulent généralement une intensité de courant précise, les fabricants ne mesurent pas la chute de tension avec précision et ne lui fournissent qu'une valeur typique / max. Imaginez que je vous dis que j'ai un fusible de 150 mV / 5 mOhm: pensez-vous que ce serait suffisant pour protéger par exemple une charge secteur de 1 kW? Vous devrez découvrir la note actuelle à dire.