فیوز چیست؟

فیوز چیست؟

فیوز یک قطعه (اِلِمان) الکتریکی است که در شرایط غیر‌عادی مدار، ناشی از اتصال کوتاه و اضافه بار با قطع خودکار جریان، از تجهیزات الکتریکی محافظت می‌‌کند. فیوزها در ابعاد و اندازه‌‌های مختلف در دسترس بوده و به دسته‌‌های گوناگونی تقسیم‌ می‌‌شوند. تصویر شماره ۱، یک فیوز پرکاربرد را نمایش می‌دهد.

شکل ۱- فیوز

تاریخچه‌ ی فیوزها

یک فیزیکدان فرانسوی به نام بروگه (Breguet) استفاده از رساناهای با سطح مقطع کوچک را برای محافظت از ایستگاه‌های تلگراف در برابر صاعقه پیشنهاد داد. در این روش رساناهای کوچک‌ تعبیه‌شده در مدار، ذوب شده و از این راه از سیم‌کشی و تجهیزات دیگر محافظت می‌‌کنند.

در اوایل سال ۱۸۶۴، از انواع رساناها مانند محافظ‌های سیم یا فویل برای محافظت از کابل‌های تلگراف و تاسیسات روشنایی استفاده می‌شد. اما فیوز به عنوان جزئی از سیستم توزیع برق در سال ۱۸۹۰ به نام توماس ادیسون (Thomas Edison) ثبت شد.

ساختار فیوزها چگونه است؟

شکل ۲- ساختار فیوز

به‌طور کلی، یک فیوز از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:

1- نوار فلزی

• نوار فلزی فیوز (سیم ذوب‌شونده) همان المان ذوب‌شونده فیوز است که در شرایط عادی جریانی، جریان را عبور داده و در شرایط اتصال کوتاه تحت جریان زیاد ذوب می‌شود. نقطه ذوب پایین، رسانایی بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون و صرفه اقتصادی داشتن، چهار ویژگی مهم نوار فلزی فیوزها هستند.
• متداول‌ترین مواد مورد استفاده برای سیم ذوب‌شونده عبارتند از: سرب، قلع، مس، روی و نقره. در ساخت نوار فلزی فیوز، برای جریان های کوچک تا ۱۰ آمپر، از قلع یا آلیاژ سرب و قلع (سرب ۳۷%، قلع ۶۳%) استفاده می‌شود. برای جریان‌های بزرگتر از مس یا نقره قلع‌اندود شده استفاده می‌شود. قلع کردن مس برای محافظت از اکسیداسیون یک روش معمول است.

• امروزه تعداد زیادی از فیوزها علیرغم قیمت بالا از نقره استفاده می‌کنند. چون:

  • نسبتاً در برابر اکسیداسیون مقاوم است.
  • هنگام استفاده در هوای خشک خراب نمی‌شود.
  • عنصر نقره فیوز به دلیل ضریب انبساط کم، می‌تواند جریان نامی را برای مدت طولانی به طور مداوم تحمل کند.
  • رسانایی نقره بسیار بالاست. بنابراین، جرم فلز نقره مورد نیاز کمتر از سایر مواد است.

2- درپوش یا کلاهک

دو نقطه ابتدا و انتهای اتصال نوار فلزی فیوز به مدار هستند. لازم است که رسانایی خوبی داشته باشند، تا بتوانند مسیر جریان را به خوبی از مدار به نوار فلزی و از نوار فلزی به مدار برقرار کنند.

3- محفظه

نوار فلزی فیوزها در یک محفظه قرار می‌گیرد. جنس این محفظه ممکن است از شیشه یا سرامیک باشند. نوار فلزی کالیبره شده داخل فیوز در صورت قرار گرفتن در معرض جریان زیاد ذوب می‌شود. این عنصر توسط بدنه فیوز محصور شده است و ممکن است با یک ماده خاموش‌‌کننده‌ قوس مانند خاک کوارتز یا مایع تتراکلرید کربن احاطه شود.

شکل ۳- خاک کوارتز به عنوان ماده خاموش کننده جرقه استفاده می شود.

فیوز چگونه کار می‌ کند؟

اساس کار فیوزها افزایش دما متناسب با افزایش بار یا افزایش جریان است. وقتی دمای فیوز از حد آستانه‌ مخصوصش بیشتر شود، نوار فلزی فیوز از طریق ذوب از بین می‌‌رود. از آنجا که فیوز به صورت سری با مدار قرار می‌ گیرد، ذوب شدن نوار فلزی باعث قطع شدن مدار می‌‌شود.

شکل ۴- فیوز

فیوز ها چه انواعی دارند؟

فیوزها در حالت کلی، به دو دسته‌ فیوزهای ac و فیوز های dc تقسیم می‌ شوند.

فیوز dc

• در یک سیستم dc، هنگامی که المان فلزی به دلیل حرارت تولید شده توسط جریان ذوب می‌شود، جرقه و قوس الکتریکی تولید می‌کند و خاموش کردن این قوس به دلیل مقدار ثابت dc بسیار دشوار است. بنابراین به منظور به حداقل رساندن این قوس، در فیوز dc فاصله بین الکترودها افزایش می‌‌یابد تا قوس کمتر شود. به همین دلیل این فیوزها کمی از فیوز های ac بزرگتر هستند.

در فیوز dc قطع جریان می‌تواند بسیار دشوار باشد، چون در این حالت جریان در یک جهت واحد جاری می‌شود و هیچ نقطه صفر جریانی برای کمک به فیوز در خاموش کردن قوس وجود ندارد. لذا فیوزهای dc ساختار پیچیده‌تری نسبت به فیوزهای ac دارند.

فیوز ac

در سیستم ac، دامنه ولتاژ از صفر به ۶۰ ولت با فرکانس ۶۰ یا ۵۰ هرتز تغییر می‌‌کند، بنابراین قوس در مقایسه با حالت dc  به راحتی از بین می‌رود. فاصله الکترودها در فیوز ac کمتر و سایز آن در مقایسه با فیوز dc کوچک‌‌تر است.

نکات مهم فیوز DC و فیوز AC 

• جریان متناوب AC صد بار در ثانیه (اگر فرکانس ۵۰ هرتز باشد) صفر شده و معکوس می‌شود. قطع جریان متناوب برای فیوز ساده‌تر از جریان مستقیم است. به همین دلیل است که فیوز های AC ساختاری ساده‌تر از فیوز های DC دارند.
• برای فیوزهای AC و DC، ولتاژهای نامی استاندارد متفاوت است و هیچ رابطه ریاضی دقیقی بین آن‌ها وجود ندارد.
• فیوزهای AC عموماً به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند باری بیش از جریان نامی خود را تحمل کنند. گاهی اوقات بین ۱۶۰ تا ۲۰۰ درصد مقدار نامی خود را تا ده ثانیه تحمل می‌کند. در یک سیستم DC جریان محدودتر است، بنابراین به دست آوردن جریان کافی برای شکستن فیوز AC در مدت زمان معقول، می‌تواند بسیار دشوار باشد.
• فیوزهای DC (که به طور خاص برای کاربردهای PV طراحی شده‌‌اند)، در زمان کوتاهی در جریان نامی شکسته می‌‌شوند و حداکثر محافظت را برای کابل‌‌کشی، جعبه‌‌های اتصال و ماژول‌‌های PV فراهم می‌‌کنند. در صورت استفاده از فیوزهای DC سطح حفاظت در این تجهیزات کاهش می‌یابد.

دسته بندی فیوزهای AC

فیوزهای AC از نظر میزان ولتاژ قابل تقسیم‌ به دو دسته‌ فشار قوی (HV) و فشار ضعیف (LV) هستند. همان‌طور که از نام آن‌‌ها مشخص است این فیوزها به ترتیب در ولتاژهای زیاد و کم فعالیت می‌‌کنند.

فیوزهای فشار قوی

این فیوز ها در ولتاژ های بالا فعالیت می‌ کنند و شامل دسته‌ های زیر هستند:

• فیوز HRC نوع مایع

• این نوع فیوز در محفظه‌ خود تتراکلرید کربن دارد. هنگامی که خطا رخ می‌‌دهد و جریان از حد مجاز بیشتر شود، عنصر فیوز می‌سوزد. مایع فیوز قوس ایجاد شده را خاموش می‌‌کند. این نوع از فیوزها برای محافظت از ترانسفورماتورها و در مدارهای با جریان ۱۰۰ تا ۱۳۲ آمپر استفاده می‌‌شوند.

شکل ۵- فیوز ولتاژ بالا از نوع HRC مایع

• فیوز HRC نوع فشنگی (Cartridge)

• این فیوز شامل دو المان با مقاومت کم و مقاومت زیاد است که موازی با یکدیگر قرار گرفته‌‌اند. فیوز کارتریج برای محافظت از کابل‌‌ها، خطوط برق و تجهیزات در برابر اتصال کوتاه استفاده می‌‌شود. این فیوزها از سرامیک یا شیشه ساخته می‌‌شوند.

شکل ۶- فیوز  HRC کارتیریج

• فیوز HRC نوع اکسپالشن  (Expulsion)

 فیوز اکسپالشن از یک سیلندر تشکیل شده و در آن از اسید بوریک به عنوان محیط قطع‌‌کننده استفاده می‌‌کنند. تحت شرایط اتصال کوتاه، حرارت قوس الکتریکی تولید شده اسید بوریک را تجزیه می‌‌کند. بخار آب تولید شده مسیر قوس را یونیزه کرده و از ایجاد مجدد قوس جلوگیری می‌‌کند. به این ترتیب، می‌توان از این فیوزها به طور گسترده برای حفاظت از مدارهای الکتریکی در برابر آسیب‌های اتصال کوتاه جلوگیری کرد.

شکل ۷- فیوز ولتاژ بالا از نوع HRC اکسپالشن

فیوز های ولتاژ پایین یا فشار ضعیف

این فیوز ها شامل پنج دسته‌ ی زیر هستند:

• فیوز تعویض‌ پذیر (Rewireable Fuse)

فیوزهای تعویض‌‌پذیر، در کاربردهای کوچک مانند سیم‌کشی‌‌های منازل و صنایع کوچک کاربرد بسیاری دارند. این نوع فیوز از دو قسمت اصلی تشکیل شده‌ اند که دو ترمینال ورودی و خروجی دارد. مهم‌‌ترین مزیت این فیوزها قابلیت تعویض‌پذیر بودن بدون خطر شوک الکتریکی است. پس اگر فیوز با جریان بزرگی آسیب ببیند به راحتی می‌‌توان قسمت Carrier فیوز را تعویض کرد.

شکل ۸- فیوز تعویض‌ پذیر

• فیوز فشنگی (Cartridge Fuse)

•  این نوع فیوز را می‌‌توان به دو زیرگروه نوع D، نوع پیچ شده (Bolted Fuse) تقسیم کرد. فیوز کارتریج نوع D از سیلندر فشنگی، پایه فیوز، حلقه آداپتور و درپوش تشکیل شده است. وقتی پایه‌ ی فیوز با رسانا تماس برقرار می‌ کند، اتصال مدار  قطع می‌ شود. فیوز کارتریج پیچ‌شده که به آن‌ها HRC هم گفته می‌شود، از پرسلن، سرامیک و نقره ساخته‌ شده و به راحتی امکان تعویض آن‌ ها در مدارهای الکتریکی وجود دارد.

شکل ۹- نوع D

• نوع پیچ شده فیوز کارتریج

فیوز نوع لینک همچنین به عنوان فیوز HRC یا نوع BS شناخته می‌ شود. این فیوز ها از پرسلن، سرامیک و نقره ساخته‌ شده و به راحتی امکان تعویض آن‌ ها در مدارهای الکتریکی وجود دارد.

شکل ۱۰- فیوز کارتریج یا فشنگی  نوع پیچ شده

• فیوز مهاجم (Striker Fuse)

•  این فیوزها با قدرت زیاد توانایی قطع مدارهای الکتریکی را دارند.

شکل ۱۱- فیوز مهاجم

• فیوز سوئیچ (Switch Fuse)

•  فیوز نوع سوئیچ با یک سوئیچ فلزی محصور شده است. این فیوزها عمدتا در سطوح ولتاژ پایین و متوسط استفاده می‌‌شوند.

شکل ۱۲- فیوز سوئیچ

• فیوز خروج (Dropout Fuse)

• این نوع فیوزها برای حفاظت از ترانسفورماتورهای خارجی استفاده می‌شوند.

شکل ۱۳- فیوز خروج یا dropout

فیوز کاردی (‌Blade-type Fuse)

• فیوزهای کاردی معمولا از نوع سرامیکی هستند و در دو سر آن‌ها یک تیغه فلزی قرار دارد. این دو تیغه درون شیارهای پایه فیوز قرار می‌گیرد و به این شکل در مدار نصب می‌شود.

شکل (۱۴)- فیوز کاردی ۱۰۰ آمپری

بیشتر بخوانید: برای آشنایی با انواع فیوز کاردی مقاله فیوز کاردی چیست را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.

مزایای فیوز های الکتریکی

• فیوز ارزان‌ترین نوع حفاظت در مدارهای الکتریکی است.
• فیوز نیاز به تعمیر و نگهداری ندارد.
• عملکرد فیوز ساده است و هیچ‌گونه پیچیدگی ندارد.
• فیوز این قابلیت را دارد که جریان زیاد اتصال کوتاه را بدون ایجاد سر و صدا، شعله، گاز یا دود قطع کند.
• زمان کارکرد فیوز بسیار کوچک‌تر از عملکرد کلیدهای قطع‌کننده مدار است.

معایب فیوز های الکتریکی

• فیوزها پس از یک بار محافظت از مدار در برابر اتصال کوتاه، باید تعویض شوند؛ در حالی که اکثر تجهیزات محافظتی مانند کلیدهای مینیاتوری دوباره به مدار بر می‌گردند.
• در حین اتصال کوتاه هنگامی که فیوز می‌سوزد، تعویض فیوز زمان‌بر است. در مدت تعویض فیوز، مدار بطور کلی قطع خواهد بود.

فیوزها چه کاربردهایی دارند؟

فیوزها نقش قابل توجهی را در حفاظت از تجهیزات الکتریکی ایفا می‌کنند. موارد زیر تعدادی از کاربردهای این تجهیز در دنیای صنعت است.

• برای محافظت از ترانسفورماتورها، موتورها و سیستم‌های قدرت در برابر شرایط اتصال کوتاه استفاده می شوند.
• در تغذیه‌ کننده‌ها، ترانسفورماتور های قدرت و مدارهای خورشیدی به کار می روند.
• در مصارف خانگی از لوازم برقی و تابلوهای توزیع برای حفاظت استفاده می‌کنند.
• یکی از اجزای مهم در خودروها، وسایل نقلیه برقی و اتومبیل‌های مسابقه‌ ای فیوز است.
• فیوز ها در لپ‌ تاپ‌ها، هارد دیسک‌ها، چاپگرها/اسکنرها و دستگاه‌های الکترونیکی وجود دارند.
• از این تجهیز در سیستم‌های بازی و تلفن‌های هوشمند استفاده می‌شوند.

معیارهای انتخاب فیوز مناسب

در انتخاب فیوز برای هر مدار الکتریکی باید به ویژگی‌های متعددی توجه کرد. از معیارهای اصلی انتخاب فیوز در صنعت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• جریان نامی فیوز
• دمای محیط
• سرعت قطع (تندسوز یا کندسوز)
• ولتاژ نامی
• ماکزیمم جریان قطع فیوزهای اضافه‌بار
• محل و نوع نصب فیوز

برای آشنایی بیشتر با کلیدهای مینیاتوری  مقاله‌ ی «کلید مینیاتوری چیست؟» راهنمای خوبی خواهد بود.

جمع بندی

با توجه به کاربرد گسترده انواع فیوز در صنعت و اهمیت آن در حفاظت از تجهیزات و افراد، در این مقاله این قطعه الکتریکی مهم را بررسی کردیم. فیوزها در انواع متنوعی شاخته می‌شوند که هر یک کاربرد ویژه خود را دارند و باید در محل درست مورد استفاد قرار بگیرند. آشنایی با انواع فیوز برای هر مهندس یا تکنسین برق لازم و ضروری است.

منبع: eaton.com