معرفی جامع فیوز، انواع و کاربردها

فیوز چیست؟ (Fuse) یک وسیله ایمنی الکتریکی است که در اطراف رسانایی نوار مانند ساخته شده است و در صورت وجود جریان بیش از حد، ذوب شده و دستگاه های متصل به خود را از مدار جدا میکند. فیوزها همیشه به صورت سری به اجزای دیگر متصل می شوند تا از اضافه جریان محافظت شود، به طوری که وقتی فیوز باز می شود تمام مدار را باز کرده و جریان عبوری از طریق  اجزاء را متوقف می کند. فیوز اگر به صورت موازی به مدار بسته شود تاثیری در جریان در شاخه های دیگر نخواهد داشت.
این تجهیزات برای حفاظت لوازم برقی مانند تلویزیون، یخچال، کامپیوتر به کار می‌روند. همچنین از فیوز به عنوان قطع کننده جریان یا پایدارساز (استیبلایزر) نیز برای جلوگیری از آسیب‌دیدگی دستگاه‌ها استفاده می‌شود. امروزه انواع مختلفی از فیوزها با مشخصات و طراحی‌های گوناگون در بازار موجود است. نوار نازک فیوز از آلومینیوم، مس یا روی ساخته میشود و همانطور که اشاره شد همیشه به صورت سری با مداری که از آن در برابر اضافه جریان محافظت می‌کند متصل می‌شود.

چرا ما به فیوز احتیاج داریم؟

فیوزها در عمل برای جلوگیری از فرآیند اتصال کوتاه و آسیب در اثر اضافه بار یا جریان زیاد استفاده می شوند. در صورت عدم استفاده از فیوز، وجود خطای الکتریکی ممکن است در سیم کشی رخ دهد و سیم و وسایل متصل به آن را بسوزاند. در صورت نبود فیوز سلامتی تمامی تجهیزات مدار در معرض خطر می باشد. هنگامی که فیوز میپرد، جرقه ای ناگهانی میزند که می تواند با قطع کردن منبع تغذیه باعث جولوگیری از هرگونه خرابی اضافه شده و دستگاه ها را از آسیب حفظ کند.

شرح نحوه عملکرد فیوزها

فیوزها بر اساس قانون اثر گرمایش ناشی از جریان عمل میکنند. شار جریانی از نوار نازک یا رشته‌ای از سیم فلزی از جنس مواد غیر قابل احتراق از فیوز عبور می‌کند. این رشته یا نوار بین انتهای ترمینال‌ها متصل میباشد. هنگامی که جریان زیادی از فیوز عبور می‌کند یا به دلیل جریان زیاد در مدار گرما ایجاد می شود، سیم داخل فیوز به دلیل پایین بودن نقطه ذوب عناصر سازنده اش ذوب می‌شود و اتصال مدار را باز می‌کند. بنابراین، جریان بیش از حد به خرابی سیم منجر شده و جریان را متوقف می‌کند. در این شرایط، بایستی فیوز سوخته با یک جدید آن عوض گردد.
فیوز نه تنها از مدار، بلکه از خطراتی که در معرض افراد است محافظت می‌کند.

نحوه انتخاب فیوز مورد نیاز خود

انتخاب فیوز مناسب و سایز آن برای کاربردهای الکتریکی به فاکتورهای مختلفی بستگی دارد. اما در ادامه یک فرمول ساده آمده است که نحوه انتخاب سایز مناسب فیوز را نشان می‌دهد.

مقدار مجاز فیوز = (توان/ولتاژ)×۱٫۲۵

برای مثال، برای پیدا کردن سایز فیوز مناسب برای سوکت دو پین ۱۰A داریم:

1000W / 230V) x 1.25 = 5.4 A)

در مثال فوق، توان مجاز ۱ kW است که از طریق سوکت دو پینی کنترل می‌شود، و ولتاژ تغذیه اصلی نیز ۲۳۰VAC  تک فاز است. اما باید حداکثر را در نظر بگیریم، یعنی فیوز ۶A به جای ۵٫۴A، که عملیات ایمن قابل اتکایی برای مدار ایجاد شود.

عوامل مؤثر در انتخاب فیوز

• ولتاژ نامی
• جریان نامی فیوز
• جریان اسمی پایه فیوز
• جریان اتصال کوتاه
• فرکانس نامی
• سطح عایقی
• مشخصه زمان جریان
• نوع فیوز
• قابلیت یا عدم قابلیت محدود کنندگی جریان اتصال کوتاه
• ضرایب ارتفاع و حرارت محیط

مشخصات فیوز

شناخت و توجه به مشخصات فیوز و ارتباط آن ها با مدار مورد حفاظت امری ضرورری در انتخاب فیوز است. کمیت و مشخصات الکتریکی که توسط کارخانه سازنده برای یک فیوز ارائه می شود به شرح ذیل است:

•  جریان نامی In: جریانی است که قادر به تحمل آن به صورت دائم است بدون آنکه اثری بر فیوز داشته باشد.
•  جریان ذوب و عدم ذوب: جریان ذوب شدن It، مقدار جریان مشخصی است که در زمانی معین، موجب عملکرد فیوز می شود. همچنین جریان عدم ذوب فیوز Int مقدار جریان مشخصی است که در زمانی معین، بدون آن که فیوز ذوب شود از آن عبور کند.
•  قدرت قطع نامی: جریانی است که فیوز قادر است آن را تحت ولتاژ و فرکانس اسمی و ضریب قدرت معین قطع نماید. قدرت قطع فیوزهای HRC  تا ۱۲۰ کیلو آمپر نیز می‌رسد. برای فیوز، قدرت وصل تعریف نشده است.
•  ولتاژ نامی:ولتاژی است که فیوز برای آن طراحی شده و قادر به تحمل آن به طور دائم است. به عبارت دیگر، ولتاژ دیده شده از دو سر فیوز، در لحظه قطع جریان باید کوچکتر یا مساوی ولتاژ نامی فیوز باشد. لذا در سیستم های زمین نشده (تک فاز یا سه فاز)  ولتاژ نامی فیوز باید بزرگتر یا مساوی ولتاژ خط (ولتاژ بین دو فاز)  باشد. در سیستم های زمین شده تک فاز، ولتاژ نامی فیوز بزرگتر یا مساوی ولتاژ فاز و در سیستم های زمین شده سه فاز، ولتاژ نامی فیوز بزرگتر یا مساوی ولتاژ خط در نظر گرفته می شود.

انواع و دسته بندی فیوز

فیوزها به دسته بندی های مختلفی تقسیم بندی می شوند. در ادامه به اختصار برخی از آنها را با هم بررسی می نماییم.

فیوزهای DC: در سیستم DC با ذوب سیم فلزی به علت حرارت ناشی از اضافه جریان، آرکی ایجاد می شود که از بین بردن آن بسیار سخت است و این به دلیل مقدار ثابت DC است. بنابراین نیاز است برای کاهش آرک فیوز DC، فیوز DC را کمی بزرگتر از فیوز AC تولید کنند که با افزایش فاصله بین الکترودها به کاهش آرک در فیوز کمک می کند.

فیوز AC: در سیستم های AC ولتاژ با فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز، تغییر دامنه دارد، به عبارت دیگر از صفر تا ۶۰ در هر ثانیه. بنابراین آسان می توان آرک یا جرقه را از بین برد. با توجه به توضیحاتی که عنوان شد، نتیجه می گیریم که فیوزهای AC از نظر اندازه نسبت به فیوزهای DC کوچک تر هستند. دسته بندی دیگر فیوزها بر اساس عملکرد یک باره یا چند باره است.

فیوزهای کارتریج: این نوع فیوزها به منظور حفاظت از مدارهای الکتریکی که با جریان و ولتاژ بالایی احتیاج دارند مانند الکتروموتور ها، تهویه هوا، یخچال، پمپ آب خانگی و … . رنج این فیوزها از ۶۰۰ آمپر و ۶۰۰ VAC است و در تابلوهای برق مسکونی، تجاری و صنعتی کاربرد دارند. فیوزهای کارتریج در یک پایه محصور شده و به دسته های فیوزهای کارتریج نوع لینک و فیوزهای کاتریج نوع D تقسیم می شوند. فیوز کارتریج نوع D دارای یک حلقه آداپتور، پایه، کلاهک و کاتریج است. پایه فیوز به کلاهک فیوز متصل می شود و کاتریج داخل کلاهک است. مدار هنگامی تکمیل می شود که سر کارتریج از طریق هادی لینک فیوز اتصال پیدا کند.

فیوز HRC فیوز با ظرفیت قطع بالا:

در فیوز HRC یا فیوز کارتریج نوع لینک، سیم یا المنت فیوز می تواند جریان اتصال کوتاه را به صورت مطمئن برای مدت زمان معین تحمل کند. در این مدت زمان اگر خطا برطرف شود، فیوز خاموش نمی شود یا به عبارتی نمی پرد، در غیر این صورت ذوب می شود و یا فیوز می پرد و اتصال مدار با منبع خارجی را قطع می کند. بنابراین مدار بی خطر است.

عملکرد فیوز HRC:

با عبور اضافه جریان نامی از فیوز HRC، سیم یا المنت فیوز ذوب و تبخیر می شود و در طی واکنش بخار نقره با پودر پرکننده، ماده ای با مقاومت بالا ایجاد شده که جرقه را حذف می کند.به منظور تأمین قدرت قطع بالاتر از ظرفیت کلیدهای اتوماتیک (خودکار) قبل از آن از فیوز HRC با شرایط زیر استفاده می کنیم:

• وجود هماهنگی بین جریان نامی کلیدهای خودکار و فیوز
• موقعیت نصب فیوز در سمت ورودی یا بالادست کلیدها باشد.

فیوزهای با ولتاژ بالا (HV):

از این دسته از فیوزها در سیستم های قدرت، جایی که ممکن است بریکر یا مدار شکنی جهت حفاظت موجود نباشد، به منظور حفاظت از ترانسفورماتورهای قدرت (توان) و ترانسفورماتورهای توزیع استفاده می شود. رنج فیوزهای HV از بیش از ۱۵۰۰ ولت تا ۱۳ کیلو ولت است. المنت فیوز ولتاژ بالا به طور کلی از مس، نقره یا قلع ساخته شده است.

انواع فیوز از نظر ساختار

تقسیم بندی عملکرد فیوز ها از دید سازندگان متفاوت است. از کاملترین تقسیم بندی ها می‌توان به استاندارد IEC60269 اشاره کرد. فیوز از نظر ساختار و شکل ظاهری انواع مختلفی دارد. فیوزها را بر حسب مقدار ولتاژ و نوع ساختمان قطع کننده شان به انواع زیر تقسیم بندی می شوند:

1. فیوزهای فشنگی
2. فیوز حرارتی
3. فیوز الکترونیکی
4. فیوز مغناطیسی
5. فیوز توان بالا فشار ضعیف NH
6. فیوز فشار قوی HH
7. اتوماتیک
8. شیشه ای یا کارتریج

فیوز فشنگی: برای نصب این فیوزها از یک پایه چینی و یک کلاهک چینی که فیوز داخل آن جای می گیرد و پشت این کلاهک شیشه ای است  استفاده می گردد. سیم حرارتی داخلی فیوز به ازاء جریان به خصوصی در زمان معینی ذوب شده و سبب قطع مدار مربوط به آن می شود. فیوز ذوب شونده معمولی را فیوز فشنگی نیز می نامند.

فیوز حرارتی یا بی متال:

جهت محافظت از سیستم در مقابل اضافه بار با دقت بیشتری نسبت به فیوز حرارتی با سیم ذوب شونده به کار برده می شوند و پس از عملکرد، قابل استفاده مجدد است (در صورت رفع عیب). بی متال در مقابل حرارت ناشی از بار اضافی لحظه ای تغییر شکل داده و باعث قطع مدار می شود. رله های حرارتی جریان راه اندازی الکتروموتورها را تحمل می کنند. این نوع فیوز برای حفاظت از سیستم در برابر اتصال کوتاه مناسب نیست.

 فیوز کاردی: با توجه به تنوع فعالیت ‌های صنعتی این فیوزها دارای تنوع بسیاری هستند. یک نمونه از این فیوزها معمولاً به شکل مکعب مستطیل با دو قسمت فلزی (مانند کارد) بود که از دو سر آن خارج شده است. ولتاژ این فیوز ها بسته به تجهیزاتی که از آنها حفاظت می‌کنند  بین ۵۰۰ تا ۱۲۰۰ ولت و با شدت جریان های مختلف است.

فیوز بوکسی: این فیوزها دارای فشنگی هستند که می توانند از نوع تندکار یا کندکار باشد. نوع تندکار اغلب برای مدارهای روشنایی و نوع کندکار اغلب برای الکتروموتورها به کار می رود که در اصطلاح به آن فشنگ موتوری می گویند. داخل فشنگ ها یک سیم حرارتی ذوب شونده هست که اطراف آن با خاک نرم کوارتز و ماسه پر می شود تا حرارت و جرقۀ حاصل از سوختن سیم حرارتی را به خود جذب کند. فشنگ ها دارای یک پولک رنگی در انتهای خود هستند که پشت شیشۀ کلاهک فیوز قرار می گیرد. این پولک با یک سیم نازک به سرفشنگ وصل شده که آمپر نامی آن را مشخص می کند، و پس از سوختن فیوز این پولک نیز به داخل آن می افتد.

فیوز الکترونیکی:

این فیوزها محافظت از مدار را در مقابل اضافه بار و اتصال کوتاه با دقت و سرعت عمل بالایی انجام می دهند. فیوز حرارتی با سیم ذوب شونده یکبار مصرف بوده و پس از عملکرد بایستی تعویض شوند. در قسمت بالای فشنگی فیوز، پولکی تعبیه گردیده که در صورت عملکرد فیوز از محل خود خارج شده و سوختن فیوز را مشخص می کند.

فیوز مغناطیسی: فیوزهای مغناطیسی نیز تایع شدت جریان هستند. در اثر بروز اضافه جریان، میدان مغناطیسی سیم پیچی فیوز قوی شده و بر اساس خاصیت جذب یک هسته آهنی مدار را قطع می کند. در این فیوزها زمان قطع خط را می توان به وسیله فنری تنظیم کرد. در بین فیوزهای مغناطیسی، فیوز سریع نیز موجود است که برای قطع مدار در زمان معینی تنظیم نمی شود بلکه فیوز با عبور جریان بیشتر از جریان نامی خط فوراً قطع می گردد.

فیوز توان بالا: در شبکه های فشار ضعیف با توان زیاد از فیوزهای NH استفاده می شود. این فیوزها دارای دسته ای هستند که توسط آن فیوزها را در جای خود جا می اندازند و یا خارج می کنند و به آن فیوزکش می گویند. چنین فیوزهایی در قسمت های شهری و سیم و کابل های شهری در جعبه تقسیم مخصوصی قرار می گیرند.

فیوز فشار قوی: فیوزهای HH برای فشار قوی مورد استفاده قرار می گیرند و خیلی بلندتر از فیوزهای معمولی تا ۵۰۰ ولت است و برای حفاظت ترانسفورماتورهای توزیع  و ترانسفورماتورهای اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرند. فیوز HH فقط در جایی به کار برده می شود که قدرت اتصال کوتاه از MVA ۴۰۰ تجاوز نکند. ساختمان فیوز HH شبیه به فیوز فشار ضعیف است. در داخل یک لوله چینی یا فیبری بزرگ سیم فیوز به صورت مارپیچ قرار گرفته و در دو انتها به دو کلاهک فلزی محکم شده است. سیم فیوز به طور آزاد در داخل براده کوارتز قرار دارد یا مدار داخل لوله دندانه دندانه است و سیم از داخل دندانه ها عبور کرده است. فیوزهای فشار قوی دارای یک سیم فرعی اند که با قطع شدن آن دکمه ای به خارج پرتاپ می شود و نشان می دهد که فیوز سوخته است. می توان از حرکت این دکمه برای مدار فرعی استفاده کرد که از قطع فیوز در داخل اطاق فرمان اطلاع حاصل کرد. با قرار دادن چندین فیوز در یک مدار می توان طوری فیوزها را انتخاب کرد که قطع فیوز به طور دلخواه انجام گیرد یعنی فیوز، فقط مداری که اتصال کوتاه شده قطع کند و دیگر مدارها در زیر بار باقی بمانند، در صنعت به فیوز فشار قوی (کات اوت) نیز گفته می شود.

فیوز اتوماتیک: نوع دیگر فیوز، فیوز اتوماتیک یا خودکار است که عبور جریان بیش از حد مجاز از آن باعث قطع مدار می شود و می توان دوباره شستی آن را بداخل فشرد تا ارتباط برقرار شود. بعضی از فیوزهای خودکار دو عمل جریان زیاد و بار زیاد را در مدارها کنترل می کنند.

 کلید مینیاتوری: کلید مینیاتوری نوعی فیوز است با این تفاوت که قطع و وصل مدار توسط ربه بی متال و رله مغناطیسی صورت می گیرد. در نتیجه این فیوز یک بار مصرف نیست و می تواند از مدار در مقابل جریان اضافه بار و اتصال کوتاه محافظت کند. کلید مینیاتوری نوعی کلید اتوماتیک است.

کلید فیوز: قطع ولتاژ هر فاز می‌تواند توسط قطع نمودن هر فیوز انجام شود. این عملکرد، مشکل اساسی دارد. اول اینکه در سیستم‌های سه فاز نمی‌توان همزمان هر سه فاز را قطع نمود. دوم آنکه قطع فازها مشکل است. برای رفع این مشکلات می توان از کلید-فیوز استفاده نمود. بنابراین با استفاده از این وسیله علاوه بر حفاظت می توان ولتاژ سیستم را نیز به راحتی قطع یا وصل کرد.

کاربرد فیوزها

انواع مختلف فیوزهای الکتریکی و الکترونیکی را می‌توان در سیستم‌ها و کاربردهای الکترونیکی و الکتریکی مختلفی به کاربرد، از جمله:

• الکتروموتور ها و ترانسفورماتورها
• اینورتر ها و کنترل کننده ها دور موتور
• تهویه هوا
• بوردهای توزیع خانگی
• ابزارها و دستگاه‌های الکتریکی کلی
• لپ تاپ‌ها
• تلفن‌های همراه
• سیستم‌های بازی
• پرینترها
• دوربین‌های دیجیتال
• DVD پلیرها
• دستگاه‌های پورتابل
• مانیتورهای LCD
• اسکنرها
• باتری‌ها
• هارد دیسک‌ها
• مبدل‌های برق