ヒューズ

学習指導要領： KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

目的¶

ヒューズが過負荷と短絡から回路をどのように守るか、そしてなぜヒューズの定格を負荷に合わせるのかを調べます。

実験装置¶

6 V の電圧源、0.5 A のヒューズ、電流計が、2本のバスにつながっています。バスのあいだには3つの分岐があり、下は 6 V / 0.5 W の電球、中央は開いたスイッチの先にある 5.1 Ω の負荷、上は押しボタンスイッチで、これは押しているあいだだけバスどうしを短絡させます。電球は点灯していて、電流計は約 83 mA を示しています。

手順¶

負荷のスイッチを閉じます。ヒューズ、電球、電流計を観察します。
スイッチを開きます。ヒューズのパラメータカードで「溶断」のチェックを外して、ヒューズリンクを交換します。
定格電流を 2 A にして、負荷のスイッチをもう一度閉じます。電流計の示す値を記録します。
ボタンを押し続けます。ヒューズと、電圧源の電源ランプを観察します。
ボタンを離し、負荷のスイッチを開き、定格電流を 0.5 A に戻して、電源ボタンで電圧源をオンにします。
もう一度ボタンを押します。ヒューズと、電圧源の電源ランプを観察します。

予想される結果

5.1 Ω の負荷によって、電球の電流に約 1 A が加わります。これはヒューズリンクの定格 0.5 A の2倍より少し多い値です。実際の速断形のヒューズリンクでも、この電流なら数秒はもちます。熱が両端の口金から逃げ、電流がしきい値に近いほど長くもつからです。ここでは0.5秒から数秒で溶断し、その時間はヒューズリンクごとに異なります。回路が切れ、電球は消え、電流計は 0 を示します。溶断したヒューズリンクは、交換するまで開いたままです。定格の約1.9倍より小さい電流では、ヒューズリンクはまったく溶断しません。

2 A のヒューズリンクは同じ電流に耐え、電流計は約 1.0 A を示します。しかし短絡すると電流は約 7 A で、定格の3.4倍にすぎず、このようなヒューズリンクが溶断するには10分の1秒かかります。電圧源の過負荷保護のほうが速く、20 ms で働きます。電源ランプが赤く点滅し、電圧源はオフになり、ヒューズリンクは切れずに残ります。定格が大きすぎるヒューズリンクでは、回路は守れません。

0.5 A のヒューズリンクでは、短絡電流の約 6 A は定格の12倍になり、ヒューズリンクは電圧源の過負荷保護より先に数ミリ秒で溶断し、電圧源はオンのままです。

問題¶

ヒューズを負荷に並列ではなく直列につなぐのはなぜですか。
負荷電流よりずっと大きい定格のヒューズリンクを入れると、どうなりますか。
電圧源全体をオフにする電圧源の過負荷保護に比べて、ヒューズはどんな点で優れていますか。
電流が2倍のときヒューズリンクは数秒で溶断するのに、短絡のときは数ミリ秒で溶断するのはなぜですか。

解答

直列なら負荷電流がすべてヒューズを流れ、ヒューズリンクが溶断すると回路が切れます。並列のヒューズは、その小さな抵抗で負荷を短絡させてすぐに溶断し、そのあと負荷は保護のないまま電圧源につながった状態になります。
ヒューズリンクは負荷やその導線には大きすぎる電流も通してしまうので、回路は保護のない状態になります。この実験装置では、2 A のヒューズリンクは 1 A の過負荷に耐え、定格の3.4倍にすぎない 7 A の短絡でも溶断しません。電圧源の過負荷保護が先に電圧源をオフにするからです。
分岐ごとに、その負荷に合わせた定格のヒューズを入れられるので、故障が起きてもその分岐だけが切り離され、回路の残りの部分は動き続けます。この実験装置では、0.5 A のヒューズリンクが数ミリ秒で溶断し、電圧源はオンのままです。電圧源の保護機能は 3 A を超えて初めて働き、電圧源につながったものをすべて切ってしまいます。
ヒューズ線で発生する熱は \(P = I^2 R\) です。定格の約1.9倍までは、ヒューズ線が融点に達する前に熱が両端の口金から逃げます。定格の2倍では発熱はわずかに大きいだけなので、ヒューズ線は数秒かけて少しずつ融点に近づきます。短絡では定格の12倍で、発熱は定格時の144倍になり、熱が逃げる前にヒューズ線は数ミリ秒で溶けます。