Bezpiecznik

Podstawy programowe: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Zobaczyć, jak bezpiecznik chroni obwód przed przeciążeniem i przed zwarciem, i dlaczego jego prąd znamionowy dobiera się do obciążenia.

Układ

Od źródła 6 V przez bezpiecznik 0,5 A i amperomierz obwód prowadzi do dwóch szyn. Między szynami są trzy gałęzie: na dole żarówka 6 V / 0,5 W, pośrodku obciążenie 5,1 Ω za rozwartym wyłącznikiem, u góry przycisk — zwiera szyny tak długo, jak jest wciśnięty. Żarówka świeci, a amperomierz wskazuje około 83 mA.

Przebieg doświadczenia

1. Zamknąć wyłącznik obciążenia. Spojrzeć na bezpiecznik, żarówkę i amperomierz.
2. Rozewrzeć wyłącznik. Wymienić wkładkę topikową: odznaczyć pole wyboru „Przepalony” na karcie parametrów bezpiecznika.
3. Ustawić prąd znamionowy na 2 A i ponownie zamknąć wyłącznik obciążenia. Zapisać wskazanie amperomierza.
4. Nacisnąć i przytrzymać przycisk. Spojrzeć na bezpiecznik i na wskaźnik zasilania źródła.
5. Puścić przycisk, rozewrzeć wyłącznik obciążenia, ustawić z powrotem prąd znamionowy 0,5 A i włączyć źródło jego przyciskiem zasilania.
6. Ponownie nacisnąć przycisk. Spojrzeć na bezpiecznik i na wskaźnik zasilania źródła.

Oczekiwany wynik

Obciążenie 5,1 Ω dodaje do prądu żarówki około 1 A — nieco ponad dwa razy więcej niż prąd znamionowy wkładki topikowej, 0,5 A. Prawdziwa szybka wkładka topikowa wytrzymałaby przy takim natężeniu jeszcze kilka sekund: ciepło uchodzi przez kapturki na jej końcach, a im bliżej progu jest natężenie prądu, tym dłużej wkładka wytrzymuje. Tutaj przepala się po czasie od pół sekundy do kilku sekund, różnym dla każdej wkładki. Obwód się przerywa, żarówka gaśnie, a amperomierz wskazuje 0. Przepalona wkładka pozostaje przerwana, dopóki się jej nie wymieni. Przy natężeniu poniżej około 1,9-krotności prądu znamionowego wkładka w ogóle się nie przepala.

Wkładka 2 A wytrzymuje to samo natężenie: amperomierz wskazuje około 1,0 A. Ale przy zwarciu natężenie prądu wynosi około 7 A — tylko 3,4 raza więcej niż jej prąd znamionowy, a takiej wkładce potrzeba na to dziesiątej części sekundy. Zabezpieczenie źródła przed przeciążeniem jest szybsze i działa po 20 ms: wskaźnik zasilania miga na czerwono, źródło się wyłącza, a wkładka pozostaje cała. Wkładka o zbyt dużym prądzie znamionowym nie chroni obwodu.

Przy wkładce 0,5 A prąd zwarcia, około 6 A, jest 12 razy większy niż jej prąd znamionowy: wkładka przepala się w ciągu kilku milisekund, zanim zadziała zabezpieczenie źródła przed przeciążeniem, i źródło pozostaje włączone.

Pytania

1. Dlaczego bezpiecznik włącza się szeregowo z obciążeniem, a nie równolegle?
2. Co się stanie, jeśli założy się wkładkę topikową o prądzie znamionowym znacznie większym niż natężenie prądu obciążenia?
3. W czym bezpiecznik jest lepszy od zabezpieczenia źródła przed przeciążeniem, które wyłącza całe źródło?
4. Dlaczego przy dwukrotnym natężeniu wkładka przepala się w ciągu sekund, a przy zwarciu w ciągu milisekund?

Odpowiedzi

1. Przy połączeniu szeregowym przez bezpiecznik płynie cały prąd obciążenia, a gdy wkładka się przepali, obwód zostaje przerwany. Bezpiecznik połączony równolegle zwarłby obciążenie swoim małym oporem i od razu by się przepalił, a potem obciążenie pozostałoby podłączone do źródła bez zabezpieczenia.
2. Wkładka przepuszcza prądy zbyt duże dla obciążenia i jego przewodów, więc obwód zostaje bez zabezpieczenia. W tym układzie wkładka 2 A wytrzymuje przeciążenie 1 A i przetrwa zwarcie 7 A, tylko 3,4 raza większe niż jej prąd znamionowy: jako pierwsze zadziała zabezpieczenie źródła przed przeciążeniem.
3. Każda gałąź może mieć własny bezpiecznik o prądzie znamionowym dobranym do jej obciążenia, więc awaria odłącza tylko tę gałąź, a reszta obwodu działa dalej. W tym układzie wkładka 0,5 A przepala się w ciągu kilku milisekund i źródło pozostaje włączone; zabezpieczenie źródła działa dopiero powyżej 3 A i wyłącza wszystko, co jest podłączone do źródła.
4. Moc cieplna wydzielana w drucie wynosi \(P = I^2 R\). Do około 1,9-krotności prądu znamionowego ciepło uchodzi przez kapturki, zanim drut osiągnie temperaturę topnienia; przy dwukrotności prądu znamionowego nagrzewanie jest tylko nieco silniejsze, więc drut powoli, w ciągu sekund, dochodzi do topnienia. Przy zwarciu, 12-krotności prądu znamionowego, nagrzewanie jest 144 razy silniejsze niż przy prądzie znamionowym i drut topi się w ciągu milisekund, zanim ciepło zdąży uciec.