퓨즈

교육과정: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

목표¶

퓨즈가 과부하와 단락으로부터 회로를 어떻게 보호하는지, 그리고 퓨즈의 정격을 왜 부하에 맞추는지 살펴봅니다.

실험 장치¶

6 V 전압원, 0.5 A 퓨즈, 전류계가 두 버스로 이어집니다. 두 버스 사이에는 가지가 세 개 있습니다. 아래쪽에는 6 V / 0.5 W 전구, 가운데에는 열린 스위치 뒤에 있는 5.1 Ω 부하, 위쪽에는 누름 버튼 스위치가 있습니다 — 이 버튼은 누르고 있는 동안 두 버스를 단락시킵니다. 전구는 켜져 있고 전류계는 약 83 mA를 표시합니다.

실험 방법¶

부하 스위치를 닫으세요. 퓨즈, 전구, 전류계를 살펴보세요.
스위치를 여세요. 퓨즈 링크를 교체하세요. 퓨즈의 매개변수 카드에서 “끊어짐” 체크박스를 해제하세요.
정격 전류를 2 A로 설정하고 부하 스위치를 다시 닫으세요. 전류계의 측정값을 기록하세요.
버튼을 누른 상태로 유지하세요. 퓨즈와 전압원의 전원 표시등을 살펴보세요.
버튼에서 손을 떼고, 부하 스위치를 열고, 정격 전류를 다시 0.5 A로 설정한 다음 전원 버튼으로 전압원을 켜세요.
버튼을 다시 누르세요. 퓨즈와 전압원의 전원 표시등을 살펴보세요.

예상 결과

5.1 Ω 부하가 전구 전류에 약 1 A를 더합니다 — 퓨즈 링크의 정격 0.5 A의 두 배를 조금 넘는 값입니다. 실제 속단형 퓨즈 링크라도 이 정도 전류에서는 몇 초 동안 버팁니다. 열이 양 끝의 캡을 통해 빠져나가고, 전류가 임계값에 가까울수록 더 오래 버팁니다. 여기서는 퓨즈 링크마다 다르게 반 초에서 몇 초 뒤에 끊어집니다. 회로가 끊어지고, 전구가 꺼지며, 전류계는 0을 표시합니다. 끊어진 퓨즈 링크는 교체할 때까지 열린 상태로 남습니다. 전류가 정격의 약 1.9배보다 작으면 퓨즈 링크는 전혀 끊어지지 않습니다.

2 A 퓨즈 링크는 같은 전류를 견딥니다. 전류계는 약 1.0 A를 표시합니다. 그러나 단락이 일어나면 전류는 약 7 A로 정격의 3.4배에 불과하며, 이런 퓨즈 링크는 끊어지는 데 10분의 1초가 걸립니다. 전압원의 과부하 보호 장치가 20 ms로 더 빠릅니다. 전원 표시등이 빨간색으로 깜박이고, 전압원이 꺼지며, 퓨즈 링크는 끊어지지 않습니다. 정격이 너무 높은 퓨즈 링크는 회로를 보호하지 못합니다.

0.5 A 퓨즈 링크에서는 약 6 A인 단락 전류가 정격의 12배입니다. 퓨즈 링크가 전압원의 과부하 보호 장치보다 먼저 몇 밀리초 만에 끊어지고, 전압원은 켜진 채로 있습니다.

질문¶

퓨즈를 부하에 병렬이 아니라 직렬로 연결하는 이유는 무엇입니까?
부하 전류보다 정격이 훨씬 높은 퓨즈 링크를 끼우면 어떻게 됩니까?
전압원 전체를 꺼 버리는 전압원의 과부하 보호 장치보다 퓨즈가 나은 점은 무엇입니까?
전류가 두 배일 때는 퓨즈 링크가 몇 초 만에 끊어지는데, 단락 때는 몇 밀리초 만에 끊어지는 이유는 무엇입니까?

답

직렬연결에서는 부하 전류 전체가 퓨즈를 지나가고, 퓨즈 링크가 끊어지면 회로가 끊어집니다. 병렬로 연결한 퓨즈는 작은 저항으로 부하를 단락시켜 곧바로 끊어지고, 그 뒤에는 부하가 보호 없이 전압원에 연결된 채로 남게 됩니다.
퓨즈 링크가 부하와 그 배선에 너무 큰 전류까지 흘려보내므로, 회로는 보호받지 못합니다. 이 실험 장치에서 2 A 퓨즈 링크는 1 A 과부하를 견디고, 정격의 3.4배에 불과한 7 A 단락 전류도 견뎌 냅니다. 전압원의 과부하 보호 장치가 먼저 전압원을 끄기 때문입니다.
가지마다 그 부하에 맞는 정격의 퓨즈를 따로 달 수 있으므로, 고장이 나면 그 가지만 끊기고 나머지 회로는 계속 작동합니다. 이 실험 장치에서 0.5 A 퓨즈 링크는 몇 밀리초 만에 끊어지고 전압원은 켜진 채로 있습니다. 전압원의 보호 장치는 3 A를 넘어야만 작동하며, 전압원에 연결된 모든 것을 꺼 버립니다.
도선에서 발생하는 열은 \(P = I^2 R\)입니다. 정격의 약 1.9배까지는 도선이 녹는점에 이르기 전에 열이 양 끝의 캡을 통해 빠져나갑니다. 정격의 두 배에서는 발열이 조금 더 클 뿐이어서, 도선이 몇 초에 걸쳐 서서히 녹는점에 다다릅니다. 정격의 12배인 단락에서는 발열이 정격일 때의 144배가 되어, 열이 빠져나가기 전에 도선이 몇 밀리초 만에 녹습니다.