بخش اول : فیوز های فداکار
همان طور که می دانید ، فرمول وات به شکل زیر است .
طبق قانون اهم ، ولتاژ رابطه مستقیمی با جریان دارد . یعنی اگر جریان ۲ برابر شود ولتاژ هم دو برابر می شود . ولی در مورد توان مساله فرق دارد . اگر جریان دو برابر شود توان خیلی افزایش بیشتری دارد . چرا ؟ چون توان یا وات با مجذور یا توان دوم جریان رابطه مستقیم دارد . یعنی برای یک مقاومت ساده اگر جریان ۱ میلی آمپر باشد. و به ۲ میلی آمپر افزایش یابد ، ولتاژ هم ۲ برابر می شود ، اما توان ۴ برابر می شود. اگر جریان بشود ۳ میلی آمپر ولتاژ ۳ برابر ولی توان ۹ برابر می شود .
مقاومت ها عناصری هستند که جلوی حرکت الکترون ها را می گیرند. و در اثر حرکت آنها مقاومت داغ* می شود. فیوز ها هم نوعی مقاومت هستند که وقتی جریان زیادی از آن ها عبور کند ، توان یا وات خیلی زیادی را تحمل می کنند. و در نتیجه خیلی سریعا گرم ، داغ و ذوب و سپس قطع می شوند، قبل از اینکه بقیه قطعات مدار آسیب ببیند. فیوزها فداکارترین قطعات در الکترونیک هستند که مراقب جان ما در برابر جریان برق شهری هستند .
ممکن است فکر کنید که پس سردی و گرمی هوا در جریان سوختن فیوز ها می توانند موثر باشند. واقعیت این است که به دلایلی این اثر آنقدرها هم قابل ملاحظه نیست. در خصوص برخی فیوزهای تجاری ، آنها مجهز به سیستم هایی هستند که تاثیرپذیری آنها را از دمای محیط کاهش می دهد. موضوع بعدی این است که هر چند میزان گرم شدن مقاومت (یا توان “P”) متناسب است با توان دوم جریان ( i ). ولی در بسیاری از موارد ما نیاز به این داریم که فیوز ها خیلی سریع قطع شوند. در این مواقع از موادی استفاده کنیم که به محض گرم شدن ، مقاومت چند برابری از خود نشان دهند .
از آنجا که این افزایش مقاومت همزمان با افزایش جریان اتفاق می افتد میزان گرم شدن فیوز چند برابر خواهد شد. و گرمای ناگهانی به شدت بالایی را ایجاد می کند ، به شکلی که در برخی موارد این حجم از جریان ناگهانی می تواند منجر به انفجار شود . به همین دلیل برای فیوز های بزرگ و صنعتی استانداردهای ویژه ای تعریف شده است.
از طرفی در بسیاری از موارد ما نیاز به سرعت عکس العمل بالایی نداریم. چرا که مدارهای ما حساسیت چندانی به جریان بالا ندارند . فرض کنید برای یک سیستم مثل شیشه بالابر خودرو اگر قرار باشد. به محض اینکه شیشه بالابر گیر کرد یا موتور آن دچار مشکل شد فیوز قطع شود دیگر خیلی حساسیت جانی یا آسیب های جدی وجود ندارد .
ممکن است در روز بارها به دلیل گیر کردن دست یا وسیله یا استفاده نا درست مجبور به تعویض فیوز باشید. در این مواقع از فیوزهایی استفاده می کنند که سرعت ذوب شدن پایینی دارند. مثلا برای قطع کردن نیاز به ۲۰ ثانیه گرمایش دارند. در این موارد از فیوز هایی استفاده می کنند که در دمای بالاتری ذوب می شوند و یا فیوز را به یک سیستم خنک کننده مجهز می کنند . به این فیوزها کندسوز یا تاخیری می گویند.
# آزمایش :
شما می توانید این موضوع را با یک مقاومت عادی آزمایش کنید . کافیه یک مقاومت ۲۲ اهم یا نزدیک به آن را به منبع تغذیه وصل کنید و به آن ولتاژ ۱ ولت بدهید . اتفاق خاصی نمی افتد . ولتاژ را دوبرابر کنید . نهایتا جریان ۲ برابر شده و گرمایی حس نمی کنید ولی اگر با احتیاط و درشرایطی که مواد آتش زا نزدیک مقاومت نیستند باز هم ولتاژ را دوبرابر کنید شاهد خواهید بود که مقاومت کاملا می سوزد .
فکر کردید ماجرای فیوزها به همین جا ختم می شود ؟ نه ماجرا ادامه دارد … فیوز های بزرگ تر دیگر ذوب نمی شوند ، پس چه اتفاقی برایشان می افتد ؟ یکی از انواع جالب فیوزهای بزرگتر که ابتکار و خلاقیت در طراحی آن ها نقش پررنگی دارد ، فیوزهای بی متال (bimetal) است . داخل این فیوزها ، یک کلید وجود دارد که از اتصال دو تکه فلز غیر هم جنس ساخته شده است .
هر فلز ضریب انبساط خاص خودش را دارد . یعنی با گرم شدن یکی بیشتر از دیگر بزرگ می شود . صفحات دو فلز به یکدیگر جوش داده شده اند وقتی دمای این تکه بالا می رود یکی بیشتر از دیگری بزرگ می شود. و این مساله باعث خم شدن کل قطعه فلزی به یک سمت می شود . از این خاصیت به عنوان کلید برق استفاده می شود . مثل تصویر زیر که قطعه فلزی ، کلیدی را باز یا بسته می کند .
بخش دوم : وریستورهای از جان گذشته
یکی از انواع جالب فیوزها که بیشتر در مدارهای تلفنی و صنعتی استفاده می شود VDR ها یا وریستورها هستند. که در اثر تحمل ولتاژ بالا در مدار می ترکند و مدار را با فداکاری خودشان از آسیب در اثر ولتاژ زیاد حفظ می کنند . وریستورها جزء فیوزهای یک بار مصرف ارزان هستند. که معمولاً جاهایی کاربرد دارند که خیلی به ندرت پیش می آید ولتاژ بالا به مدار منتقل شود. مثل وقتی که ما حواس پرت ها سیم دو شاخه تلفن را به جای پریز تلفن به برق ۲۲۰ ولت وصل می کنیم .
در این موقعیت مواد عایق وسط دو پایه وریستور می ترکد و دو صفحه رسانای داخلش به هم متصل می شوند ، این حالت اتصال کوتاه نام دارد . اتصال کوتاه یعنی مثبت و منفی مدار به هم وصل شوند . اتصال کوتاه وریستور ولتاژ بالا را از روی مدار بر می دارد و اجازه نمی دهد ولتاژ زیادی قطعات را تخریب کند .
در یک مدار حرفه ای و اصولی معمولاً وریستور و فیوز کنار هم سری می شوند . چون وقتی اتصال کوتاه می شود ممکن است آتش سوزی یا گرمای زیادی در مدار ایجاد شود .
فیوز در لحظه اتصال کوتاه وریستور جریان بالایی می کشد و مسیر مدار را با ذوب شدن خودش قطع می کند . مثل شکل زیر . برای همین هر وقت تلفن اشتباهاً به برق ۲۲۰ وصل می شود به سادگی با تعویض فیوز و وریستور تعمیر می شود .
در مدار همه عناصر مقاومتی ذاتی در برابر عبور الکترون ها از خود نشان می دهند . یکی از اجزاء مدارهایی که روی فیبر های مسی بسته می شوند روکش مسی روی فیبر است. که مقاومتی در برابر عبور جریان دارد . اگر توان تولیدی یک بخش تناسبی با ابعاد مسیرهای مسی PCB نداشته باشد. ممکن است روکش مس در اثر عبور الکترون ها خراب شود .
تصور کنید تعداد زیادی اسب وحشی رام نشده از یک دروازه تنگ وارد یک تونل باریک با دیواره های نازک کاه گل شوند. بعید نیست در اثر نداشتن ظرفیت با هجوم گله اسب ها همه دیوارها خراب شوند و تونل تخریب شود . چنین رفتاری از الکترونهای متراکم که جریان مدار را تشکیل داده اند در مسیرهای باریک PCB هم رخ می دهد .
الکترون های وحشی مسیر ها را تخریب می کنند . استاندارد خاصی وجود دارد که در طراحی PCB برای هر اندازه مقاومت یا سایر عناصر و قطعات باید Root یا مسیر PCB درست طراحی شود . در غیر این صورت در اثر تحمل جریان بالاتر از حد نرمال مسیر ها منفجر می شوند . یک انفجار کوچک که مدار را تخریب می کند . فیوزها در این مواقع کاربرد دارند . اما باید به اصول طراحی مسیرها هم دقت کرد .
جمع بندی :
کاریکاتور بالا به شکل کمیک همین موضوع را بیان می کند . خیلی از افراد مبتدی در الکترونیک تصور می کنند افزایش جریان یا ولتاژ بطور مستقیم به مدار آسیب می زند . ولی به بیان درست تر باید گفت توان دوم جریان یعنی توان است که چنین آسیب هایی ایجاد می کند . فیوزها قطعاتی برای چنین مواقعی هستند. اما وریستورها برای زمان هایی کاربرد دارند که ولتاژ بالا ممکن است مدار را خراب کند .
___________________
بعضی مقاومت ها مثل سنسورهای دما خیلی داغ نمی شوند. و یا بهتر است بگوییم میزان داغ شدن آن ها در مقیاس دما به آسانی قابل اندازه گیری نیست .