Предохранитель

Программы: KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

Открыть полную версию ↗

Цель

Увидеть, как предохранитель защищает цепь от перегрузки и от короткого замыкания и почему его номинал подбирают под нагрузку.

Установка

Источник 6 В, предохранитель 0,5 А и амперметр ведут к двум шинам. Между шинами три ветви: снизу лампочка 6 В / 0,5 Вт, посередине нагрузка 5,1 Ом за разомкнутым выключателем, сверху кнопка — она замыкает шины накоротко, пока её удерживают нажатой. Лампочка горит, амперметр показывает около 83 мА.

Ход работы

1. Замкните выключатель нагрузки. Посмотрите на предохранитель, лампочку и амперметр.
2. Разомкните выключатель. Замените плавкую вставку: снимите флажок «Перегорел» в карточке параметров предохранителя.
3. Установите номинальный ток 2 А и снова замкните выключатель нагрузки. Запишите показание амперметра.
4. Нажмите кнопку и удерживайте её. Посмотрите на предохранитель и на индикатор питания источника.
5. Отпустите кнопку, разомкните выключатель нагрузки, верните номинальный ток 0,5 А и включите источник его клавишей питания.
6. Снова нажмите кнопку. Посмотрите на предохранитель и на индикатор питания источника.

Ожидаемый результат

Нагрузка 5,1 Ом добавляет к току лампочки около 1 А — чуть больше двойного номинала вставки 0,5 А. Настоящая быстродействующая вставка при таком токе продержалась бы ещё секунды: тепло уходит через торцевые колпачки, и чем ближе ток к порогу, тем дольше она держится. Здесь она перегорает спустя от полусекунды до нескольких секунд, у каждой вставки по-своему. Цепь разрывается, лампочка гаснет, амперметр показывает 0. Перегоревшая вставка остаётся разомкнутой, пока её не заменят. При силе тока меньше примерно 1,9 номинала вставка не перегорает вовсе.

Вставка на 2 А выдерживает тот же ток: амперметр показывает около 1,0 А. Но при коротком замыкании сила тока около 7 А — всего в 3,4 раза больше её номинала, и такой вставке нужна десятая доля секунды. Защита источника от перегрузки срабатывает быстрее, за 20 мс: индикатор питания мигает красным, источник отключается, а вставка остаётся целой. Вставка с завышенным номиналом цепь не защищает.

Со вставкой на 0,5 А ток короткого замыкания, около 6 А, в 12 раз больше её номинала: вставка перегорает за несколько миллисекунд, раньше, чем срабатывает защита источника от перегрузки, и источник остаётся включённым.

Вопросы

1. Почему предохранитель включают последовательно с нагрузкой, а не параллельно?
2. Что будет, если поставить вставку с номиналом намного больше тока нагрузки?
3. Чем предохранитель лучше защиты источника от перегрузки, которая отключает весь источник?
4. Почему при двойном токе вставка перегорает за секунды, а при коротком замыкании — за миллисекунды?

Ответы

1. При последовательном включении через предохранитель идёт весь ток нагрузки, и когда вставка перегорает, цепь разрывается. Предохранитель, включённый параллельно, замкнул бы нагрузку накоротко своим малым сопротивлением и сразу перегорел бы, а после этого нагрузка осталась бы подключённой к источнику без защиты.
2. Вставка пропускает токи, слишком большие для нагрузки и её проводов, и цепь остаётся без защиты. В этой установке вставка на 2 А выдерживает перегрузку в 1 А и остаётся целой при коротком замыкании с током 7 А, всего в 3,4 раза больше её номинала: первой срабатывает защита источника от перегрузки.
3. В каждой ветви может стоять свой предохранитель с номиналом, подобранным под её нагрузку, поэтому неисправность отключает только эту ветвь, а остальная цепь продолжает работать. В этой установке вставка на 0,5 А перегорает за несколько миллисекунд, и источник остаётся включённым; защита источника срабатывает только при токе выше 3 А и отключает всё, что к нему подключено.
4. Тепловая мощность, выделяемая в проволочке, — \(P = I^2 R\). Примерно до 1,9 номинала тепло уходит через торцевые колпачки раньше, чем проволочка нагреется до температуры плавления; при двойном номинале нагрев лишь немного сильнее, поэтому проволочка постепенно, за секунды, доходит до плавления. При коротком замыкании, когда ток в 12 раз больше номинала, нагрев в 144 раза больше номинального, и проволочка плавится за миллисекунды, прежде чем тепло успеет уйти.