Sicherungen

Normalerweise ist die Strombelastbarkeit eines Leiters ein Grenzwert für den Schaltungsentwurf, der niemals absichtlich überschritten werden darf, aber es gibt eine Anwendung, bei der eine Strombelastbarkeitsüberschreitung erwartet wird:im Fall von Sicherungen .

Was ist eine Sicherung?

Eine Sicherung ist eine elektrische Sicherheitsvorrichtung, die um einen leitfähigen Streifen herum aufgebaut ist und bei Überstrom schmilzt und sich trennt. Sicherungen werden immer in Reihe mit dem/den vor Überstrom zu schützenden Bauteil(en) geschaltet, so dass beim durchbrennen (öffnet) es öffnet den gesamten Stromkreis und stoppt den Strom durch die Komponente(n). Eine Sicherung, die in einem Zweig einer Parallelschaltung angeschlossen ist, würde den Strom durch die anderen Zweige natürlich nicht beeinflussen.

Normalerweise ist das dünne Stück Sicherungsdraht in einer Sicherheitshülle eingeschlossen, um die Gefahr von Lichtbogenexplosionen zu minimieren, wenn der Draht mit heftiger Kraft aufbrennt, wie es bei starken Überströmen passieren kann. Bei kleinen Kfz-Sicherungen ist die Ummantelung transparent, damit das Schmelzelement optisch inspiziert werden kann. Bei der Verkabelung von Wohngebäuden wurden üblicherweise Einschraubsicherungen mit Glaskörpern und einem dünnen schmalen Metallfolienstreifen in der Mitte verwendet. Ein Foto, das beide Arten von Sicherungen zeigt, ist hier zu sehen:

Patronensicherungen sind in Automobilanwendungen und in Industrieanwendungen beliebt, wenn sie mit anderen Mantelmaterialien als Glas konstruiert sind. Da Sicherungen so ausgelegt sind, dass sie bei Überschreiten ihres Nennstroms „versagen“, sind sie normalerweise so ausgelegt, dass sie in einem Stromkreis leicht ausgetauscht werden können. Dies bedeutet, dass sie in eine Art Halter eingesetzt werden und nicht direkt an die Leiter der Schaltung gelötet oder verschraubt werden. Das folgende Foto zeigt einige Glaspatronensicherungen in einem Mehrfachsicherungshalter:

Die Sicherungen werden von Federmetallklammern gehalten, wobei die Klammern selbst fest mit den Leitern des Stromkreises verbunden sind. Das Grundmaterial des Sicherungshalters (oder Sicherungsblock wie sie manchmal genannt werden) wird als guter Isolator gewählt.

Ein anderer Typ von Sicherungshaltern für Patronensicherungen wird üblicherweise für den Einbau in Geräteschalttafeln verwendet, wo es wünschenswert ist, alle elektrischen Kontaktpunkte vor menschlichem Kontakt zu verbergen. Im Gegensatz zum gerade gezeigten Sicherungsblock, bei dem alle Metallklammern offen liegen, umschließt diese Art von Sicherungshalter die Sicherung vollständig in einem isolierenden Gehäuse:

Das heute am häufigsten verwendete Gerät für den Überstromschutz in Hochstromkreisen ist der Leistungsschalter .

Was ist ein Leistungsschalter?

Leistungsschalter sind speziell entwickelte Schalter, die bei Überstrom automatisch öffnen, um den Strom zu stoppen. Kleine Leistungsschalter, wie sie im Wohn-, Gewerbe- und Kleinindustriebereich eingesetzt werden, werden thermisch betrieben. Sie enthalten einen Bimetallstreifen (ein dünner Streifen aus zwei Rücken an Rücken verbundenen Metallen), der Strom führt, der sich beim Erhitzen verbiegt. Wenn durch den Bimetallstreifen genügend Kraft erzeugt wird (aufgrund von Überstromerwärmung des Streifens), wird der Auslösemechanismus ausgelöst und der Unterbrecher öffnet. Größere Leistungsschalter werden automatisch durch die Stärke des Magnetfelds betätigt, das von stromdurchflossenen Leitern im Leistungsschalter erzeugt wird, oder können durch externe Geräte zur Überwachung des Leistungsstroms (diese Geräte werden Schutzrelais genannt) ausgelöst werden ).

Da Leistungsschalter unter Überstrombedingungen nicht versagen, sondern lediglich öffnen und durch Bewegen eines Hebels wieder geschlossen werden können, sind sie eher dauerhaft an einen Stromkreis angeschlossen als Sicherungen. Ein Foto eines kleinen Leistungsschalters ist hier zu sehen:

Von außen sieht es aus wie nichts anderes als ein Schalter. Tatsächlich könnte es als solches verwendet werden. Seine wahre Funktion besteht jedoch darin, als Überstromschutzgerät zu arbeiten.

Es sollte beachtet werden, dass einige Autos kostengünstige Geräte verwenden, die als Fusible Links bekannt sind zum Überstromschutz im Batterieladestromkreis, aufgrund der Kosten einer ordnungsgemäß bemessenen Sicherung und Halterung. Eine Schmelzsicherung ist eine primitive Sicherung, die nichts anderes als ein kurzes Stück gummiisolierten Drahtes ist, der bei Überstrom aufschmelzen soll, ohne jegliche harte Ummantelung. Solche groben und potenziell gefährlichen Geräte werden niemals in der Industrie oder sogar in Wohngebäuden verwendet, hauptsächlich aufgrund der höheren Spannungs- und Stromstärken. Aus Sicht des Autors ist ihre Anwendung sogar in Automobilschaltungen fraglich.

Das elektrische Schaltplansymbol für eine Sicherung ist eine S-förmige Kurve:

Sicherungswerte

Sicherungen sind in erster Linie, wie zu erwarten, in der Einheit für Strom ausgelegt:Ampere. Obwohl ihr Betrieb von der Selbsterzeugung von Wärme bei übermäßigem Strom durch den eigenen elektrischen Widerstand der Sicherung abhängt, sind sie so konstruiert, dass sie den von ihnen geschützten Stromkreisen einen vernachlässigbaren zusätzlichen Widerstand leisten. Dies wird weitgehend erreicht, indem der Sicherungsdraht so kurz wie praktisch möglich gemacht wird. Genauso wie die Strombelastbarkeit eines normalen Drahtes nicht mit seiner Länge zusammenhängt (10-Gauge massiver Kupferdraht kann 40 Ampere Strom in freier Luft verarbeiten, unabhängig davon, wie lang oder kurz er ist), ein Sicherungsdraht aus einem bestimmten Material und einer bestimmten Stärke wird mit einer bestimmten Strömung wehen, egal wie lange es dauert. Da die Länge kein Faktor bei der Strombelastbarkeit ist, ist der Widerstand um so geringer, je kürzer er gemacht werden kann.

Der Sicherungskonstrukteur muss jedoch auch berücksichtigen, was nach dem Durchbrennen einer Sicherung passiert:Die geschmolzenen Enden des einst durchgehenden Drahtes werden durch einen Luftspalt getrennt, wobei die volle Versorgungsspannung zwischen den Enden vorhanden ist. Wenn die Sicherung in einem Hochspannungskreis nicht lang genug gemacht wird, kann ein Funke von einem der geschmolzenen Drahtenden zum anderen überspringen und den Stromkreis wieder schließen:

Folglich werden Sicherungen hinsichtlich ihrer Spannungskapazität sowie der Stromstärke, bei der sie durchbrennen, bewertet.

Einige große Industriesicherungen haben austauschbare Drahtelemente, um die Kosten zu reduzieren. Das Gehäuse der Sicherung ist eine lichtundurchlässige, wiederverwendbare Patrone, die den Sicherungsdraht vor Exposition und umgebende Gegenstände vom Sicherungsdraht abschirmt.

Der Nennstrom einer Sicherung umfasst mehr als eine einzelne Zahl. Wenn ein Strom von 35 Ampere durch eine 30-Ampere-Sicherung geleitet wird, kann sie je nach anderen Aspekten ihrer Konstruktion plötzlich oder verzögert durchbrennen. Einige Sicherungen sollen sehr schnell durchbrennen, während andere je nach Anwendung für bescheidenere „Öffnungszeiten“ oder sogar für ein verzögertes Ansprechen ausgelegt sind. Letztere Sicherungen werden manchmal als träge bezeichnet Sicherungen aufgrund ihrer beabsichtigten Zeitverzögerungseigenschaften.

Ein klassisches Beispiel für eine träge Sicherungsanwendung ist der Schutz von Elektromotoren, bei dem Einschaltstrom Ströme von bis zum Zehnfachen des normalen Betriebsstroms werden normalerweise bei jedem Start des Motors aus dem Stillstand festgestellt. Wenn in einer solchen Anwendung flinke Sicherungen verwendet würden, könnte der Motor nicht starten, da die normalen Einschaltströme die Sicherung(en) sofort durchbrennen würden! Das Design einer trägen Sicherung ist so, dass das Sicherungselement mehr Masse (aber nicht mehr Strombelastbarkeit) als eine gleichwertige flinke Sicherung hat, was bedeutet, dass es sich bei jeder gegebenen Menge langsamer (aber auf die gleiche Endtemperatur) aufheizt des Stroms.

Am anderen Ende des Sicherungswirkungsspektrums gibt es sogenannte Halbleitersicherungen entworfen, um im Falle eines Überstromzustandes sehr schnell zu öffnen. Halbleiterbauelemente wie Transistoren neigen dazu, Überstrombedingungen besonders intolerant zu sein und benötigen daher in Hochleistungsanwendungen einen schnell reagierenden Schutz gegen Überströme.

Sicherungen sollten in geerdeten Systemen immer auf der „heißen“ Seite der Last platziert werden. Damit soll die Last nach dem Öffnen der Sicherung in jeder Hinsicht vollständig stromlos gemacht werden. Um den Unterschied zwischen der Sicherung der „heißen“ Seite und der „neutralen“ Seite einer Last zu sehen, vergleichen Sie diese beiden Stromkreise:

In beiden Fällen hat die Sicherung den Strom zur Last erfolgreich unterbrochen, aber der untere Stromkreis unterbricht die potenziell gefährliche Spannung von beiden Seiten der Last nicht zur Erde, wo sich möglicherweise eine Person aufhält. Das erste Schaltungsdesign ist viel sicherer.

Wie bereits erwähnt, sind Sicherungen nicht die einzigen verwendeten Überstromschutzgeräte. Schalterähnliche Geräte namens Leistungsschalter werden oft (und häufiger) verwendet, um Stromkreise mit übermäßigem Strom zu öffnen, ihre Popularität beruht darauf, dass sie sich beim Unterbrechen des Stromkreises nicht selbst zerstören, wie dies bei Sicherungen der Fall ist. In jedem Fall folgt die Platzierung des Überstromschutzgeräts in einem Stromkreis jedoch denselben allgemeinen Richtlinien, die oben aufgeführt sind:nämlich die Seite der Stromversorgung zu „absichern“ nicht mit Masse verbunden.

Obwohl die Platzierung eines Überstromschutzes in einem Stromkreis die relative Stromschlaggefahr dieses Stromkreises unter verschiedenen Bedingungen bestimmen kann, ist zu beachten, dass solche Geräte niemals zum Schutz vor Stromschlägen gedacht waren. Weder Sicherungen noch Leistungsschalter sind dafür ausgelegt, im Falle eines Stromschlags einer Person zu öffnen; vielmehr sollen sie sich nur unter Bedingungen einer potentiellen Überhitzung des Leiters öffnen. Überstromschutzgeräte schützen in erster Linie die Leiter eines Stromkreises vor Schäden durch Übertemperatur (und den Brandgefahren, die mit zu heißen Leitern verbunden sind) und schützen sekundär bestimmte Geräte wie Lasten und Generatoren (einige flinke Sicherungen sind zum Schutz besonders anfälliger elektronischer Geräte ausgelegt). zu Stromstößen). Da die Stromstärken, die für einen elektrischen Schlag oder einen Stromschlag erforderlich sind, viel niedriger sind als die normalen Stromstärken üblicher Stromlasten, ist ein Überstromzustand kein Anzeichen dafür, dass ein Stromschlag auftritt. Es gibt andere Geräte, die bestimmte Schockzustände erkennen (Erdschlussdetektoren sind am beliebtesten), aber diese Geräte dienen ausschließlich diesem einen Zweck und sind nicht am Schutz der Leiter vor Überhitzung beteiligt.

RÜCKBLICK:

• Eine Sicherung ist ein kleiner, dünner Leiter, der geschmolzen und in zwei Teile geteilt werden kann, um einen Stromkreis bei zu hohem Strom zu unterbrechen.
• Ein Leistungsschalter ist ein speziell entwickelter Schalter, der bei Überstrom automatisch öffnet, um den Stromkreis zu unterbrechen. Sie können thermisch „ausgelöst“ (geöffnet) werden, durch magnetische Felder oder durch externe Geräte, die „Schutzrelais“ genannt werden, je nach Ausführung des Leistungsschalters, seiner Größe und der Anwendung.
• Sicherungen werden in erster Linie nach dem maximalen Strom bewertet, aber auch nach dem Spannungsabfall, den sie nach dem Unterbrechen eines Stromkreises sicher aushalten.
• Sicherungen können so ausgelegt werden, dass sie schnell, langsam oder irgendwo dazwischen durchbrennen, um den gleichen maximalen Strom zu erzielen.
• In einem geerdeten Stromnetz lässt sich eine Sicherung am besten auf dem ungeerdeten Leiterpfad zur Last installieren. Auf diese Weise ist beim Durchbrennen der Sicherung nur noch der geerdete (sichere) Leiter mit der Last verbunden, wodurch der Aufenthalt von Personen sicherer wird.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Überstromschutz