Внутренние предохранители представляют собой защитные устройства, конструктивно встроенные в оборудование, прибор или аппарат на этапе его производства. Их основная функция – защита внутренних цепей и компонентов данного конкретного устройства от токов перегрузки и короткого замыкания. В отличие от установочных предохранителей, монтируемых в распределительных щитах и защищающих линии электропитания, внутренние предохранители являются неотъемлемой частью конечного продукта, обеспечивая его отказоустойчивость и пожаробезопасность.
Базовый элемент внутреннего предохранителя – плавкая вставка, размещенная в корпусе. Корпус выполняет функции изоляции, механической защиты и дугогашения. Принцип действия основан на тепловом разрушении калиброванного проводника (плавкой вставки) при протекании тока, превышающего номинальное значение в течение определенного времени. Процесс срабатывания включает этапы нагрева, плавления, испарения металла и гашения электрической дуги в среде наполнителя (кварцевый песок, гипс) или внутри полимерного корпуса.
Конструктивно внутренние предохранители делятся на несколько основных типов:
Выбор внутреннего предохранителя осуществляется по ряду взаимосвязанных технических параметров, регламентированных международными и национальными стандартами (IEC 60127, UL 248, ГОСТ Р МЭК 60127-1).
Максимальный ток, который плавкая вставка может проводить неограниченно долго без срабатывания. Определяется при стандартных условиях испытаний (температура окружающей среды +20°C или +25°C). Важно учитывать температурную деградацию: при повышенной температуре внутри аппарата номинальный ток должен быть выбран с запасом.
Максимальное напряжение цепи, в которой предохранитель может безопасно разомкнуть цепь, погасив дугу. Внутренние предохранители делятся на низковольтные (до 1000 В AC/1500 В DC) и высоковольтные (для цепей вторичной коммутации в высоковольтной аппаратуре).
Важнейший параметр, определяющий скорость срабатывания. Основные типы:
| Обозначение | Полное название | Характеристика | Типовое применение |
|---|---|---|---|
| FF | Very Fast Acting (Сверхбыстродействующий) | Срабатывает при незначительном превышении номинального тока. Минимальная I²t. | Защита полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры, IGBT-модули). |
| F | Fast Acting (Быстродействующий) | Срабатывает быстро при перегрузке и КЗ. Низкая I²t. | Защита чувствительных электронных схем, измерительных цепей, источников питания. |
| M | Medium Time Lag (С выдержкой времени) | Выдерживает кратковременные пусковые токи без срабатывания, но быстро отключает КЗ. | Цепи с емкостной или индуктивной нагрузкой, электродвигатели, трансформаторы. |
| T | Time Lag (Тиходействующий) | Большая выдержка времени при перегрузках. Высокая отключающая способность. | Защита цепей с высокими пусковыми токами (электродвигатели, импульсные блоки питания). |
| TT | Super Time Lag (Сверхтиходействующий) | Максимальная стойкость к броскам тока. | Специальные применения, например, защита обмоток трансформаторов. |
Максимальный ожидаемый ток короткого замыкания, который предохранитель способен безопасно отключить при номинальном напряжении. Для внутренних предохранителей в электронной аппаратуре типичные значения от 1.5 кА до 35 кА. В силовых цепях могут требоваться значения до 100 кА и выше.
Количество тепловой энергии, выделяющееся в плавкой вставке за время срабатывания. Критически важен для обеспечения селективности защиты и выбора предохранителей для полупроводниковых устройств. Различают I²t предсрабатывания (перед началом плавления) и I²t отключения (полный цикл до гашения дуги).
Для защиты силовых диодов, тиристоров, силовых модулей (IGBT) применяются быстродействующие (FF, F) предохранители с номинальным напряжением, соответствующим схеме (до 1000 В AC, 1500 В DC и выше). Ключевой критерий – значение I²t предохранителя, которое должно быть меньше значения I²t защищаемого полупроводника. Это гарантирует, что при КЗ предохранитель сработает раньше, чем выйдет из строя дорогостоящий силовой элемент.
В импульсных блоках питания (SMPS) предохранители устанавливаются на входе для защиты от внутренних КЗ в силовой части (ключевые транзисторы, входной выпрямитель). Учитываются высокие пусковые токи заряда входных конденсаторов, поэтому часто применяются предохранители с выдержкой времени (тип T или M). На выходах ИВЭП могут устанавливаться быстродействующие предохранители для защиты нагрузки.
Встраиваются в стиральные машины, посудомоечные машины, кондиционеры, промышленные контроллеры. Защищают силовые цепи, цепи управления, блоки питания. Часто используются цилиндрические предохранители 5×20 мм или керамические с наполнителем. Учитывается соответствие стандартам безопасности (UL, CSA, VDE, PSE).
В литиевых батареях (BMS), системах накопления энергии, электромобилях применяются высоковольтные предохранители постоянного тока (до 1500 В DC) с высокой отключающей способностью. Они защищают от внешних и внутренних КЗ, предотвращая тепловой разгон аккумуляторных ячеек.
Используются в цепях питания коммутаторов, маршрутизаторов, базовых станций. Применяются как плавкие предохранители, так и самовосстанавливающиеся (PTC). Важна компактность и возможность группового монтажа.
Выбор осуществляется по следующему алгоритму:
Визуальный контроль целостности плавкой вставки (для прозрачных корпусов) или сработавшего индикатора (для керамических предохранителей) – основной метод. Замена должна производиться на предохранитель с идентичными номинальными параметрами (ток, напряжение, время-токовая характеристика, I²t) и того же типоразмера. Установка «жучка» или предохранителя с большим номинальным током недопустима, так как приводит к выходу из строя защищаемого оборудования и пожару.
Автоматический выключатель защищает кабельную линию от перегрузки и КЗ. Он является многоразовым устройством, рассчитанным на коммутацию больших токов в распределительных сетях. Внутренний предохранитель – одноразовое устройство, защищающее конкретный прибор или его внутренний модуль. Его ключевые преимущества – сверхбыстрое действие (особенно важно для полупроводников), высокая отключающая способность при малых габаритах и низкая стоимость.
Принцип действия плавкого предохранителя основан на необратимом физическом разрушении проводника. Этот процесс детерминирован и зависит только от протекающего тока и времени. В автоматическом выключателе используется механизм расцепления, который при высоких токах КЗ может подвергаться сильному электродинамическому и термическому воздействию, что в редких случаях может привести к отказу (свариванию контактов). Предохранитель лишен подвижных частей, что повышает его надежность при отключении сверхтоков.
Нет, это недопустимо. Тиходействующий предохранитель рассчитан на длительные пусковые токи, характерные, например, для электродвигателей. В цепи, предназначенной для защиты быстрым предохранителем (например, электронная схема), предохранитель типа T не сработает вовремя при перегрузке, что приведет к повреждению компонентов. Обратная замена (T на F) вызовет ложные срабатывания при пуске оборудования.
Цвет колпачка или корпуса указывает на номинальный ток согласно стандарту IEC 60127-2. Например: розовый – 4 А, коричневый – 1.6 А, красный – 10 А. Однако полагаться только на цвет не следует, всегда необходимо проверять цифровую маркировку, нанесенную на металлический колпачок или корпус, где указаны номинальный ток, напряжение, временная характеристика и стандарт.
Возможные причины: 1) Старение и усталость металла из-за многократных тепловых циклов (нагрев-охлаждение от пусковых токов). 2) Превышение температуры окружающей среды внутри аппарата, ведущее к снижению фактического номинала предохранителя. 3) Механическая вибрация, приводящая к усталостному разрушению плавкой вставки. 4) Случайный кратковременный сетевой импульс перенапряжения, вызвавший всплеск тока. 5) Начальная стадия неисправности какого-либо компонента в защищаемой цепи, приводящая к небольшому, но длительному превышению тока.
Плавкий предохранитель срабатывает однократно и требует замены. Самовосстанавливающийся предохранитель (полимерный PTC) при превышении тока резко увеличивает свое сопротивление, ограничивая ток в цепи. После отключения питания и остывания он возвращается в проводящее состояние. PTC подходит для защиты от перегрузок в цепях, где кратковременные сбои вероятны, а обслуживание затруднено (например, в портативной электронике). Недостатки PTC: более высокое собственное сопротивление, медленнее время срабатывания, ограниченная отключающая способность при КЗ, поэтому для защиты от КЗ часто используется последовательно с PTC обычный плавкий предохранитель.
Необходимо измерить пиковый ток заряда входного сглаживающего конденсатора при включении (пусковой ток) с помощью токовых клещей с функцией захвата пика. Номинальный ток предохранителя с выдержкой времени (тип T или M) должен быть выше этого пикового значения, но ниже максимально допустимого тока для компонентов входной цепи (диодного моста, дросселя). Типичный запас: пусковой ток должен протекать не более 1-10 мс, что должно соответствовать время-токовой кривой выбранного предохранителя. Эмпирически номинал часто выбирают в 1.5-2 раза выше среднего входного тока блока питания.