در دنیای پیشرفته و پراز ابزارهای برقی و الکترونیکی امروزی، حفظ امنیت و عملکرد بهینه سیستم‌های الکتریکی بسیار اساسی است. یکی از راه‌های اصلی برای حفاظت از این سیستم‌ها و جلوگیری از وقوع حوادث ناخوشایند، استفاده از فیوزها می‌باشد. فیوزها به عنوان عناصری حیاتی در سیستم‌های برقی شناخته می‌شوند که با تنظیم و محافظت از جریانهای الکتریکی، از تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی در برابر خسارت ناشی از جریانهای بیش از حد، محافظت می‌کنند.
با پیشرفت فناوری، فیوزها نقشی بی‌بدیل در محافظت از تجهیزات الکتریکی ایفا می‌کنند. از فیوزها در سیستم‌های خانگی گرفته تا صنعتی و صنایع بزرگ، استفاده می‌شود. از طرف دیگر، توسعه فیوزها به سمت استفاده از فناوری‌های پیشرفته و بهبود عملکرد و ایمنی در سیستم‌های الکتریکی هدفمند می‌باشد.
در این مقاله، به معرفی جامع و دقیقی از فیوزها پرداخته می‌شود. از تاریخچه و تکنولوژی‌های مورد استفاده تا نقش و اهمیت آنها در صنایع مختلف، این مقاله سعی در ارائه یک دیدگاه جامع در مورد فیوزها دارد.
فیوز یک عنصر حفاظتی در سیستم‌های الکتریکی است که طیف وسیعی از برنامه‌ها از جمله خانگی، تجاری، و صنعتی را پوشش می‌دهد. وظیفه فیوز، محافظت از سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی در برابر جریانهای بیش از حد است.
فیوزها عموماً شامل یک عنصر ذوب است که به طور خودکار در صورت بروز جریان بالایی ذوب می‌شود و جریان را قطع میکند. این جریان بالا میتواند ناشی از اتصال کوتاه، اضافه بار زیاد، یا خطاهای دیگر در سیستم باشد.
تاریخچه فیوز
فیوز هم مانند خیلی از اختراعات مهم دیگر در سال 1890 توسط توماس ادیسون اختراع شد و در اوایل قرن نوزدهم، با پیدایش و گسترش استفاده از برق، نیاز به ابزارها و روش‌هایی برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی در برابر جریانهای بیش از حد احساس شد.در این دوره، اولین فیوزها به شکل سیم‌های فلزی با ضخامت متفاوت و با استفاده از جریان حرارتی به عنوان مکانیسم ذوب برای قطع جریان الکتریکی تولید شدند.
در قرن بیستم، با پیشرفت تکنولوژی الکترونیکی، فیوزهایی با طراحی و ساختارهای متنوع و بهینه‌تر توسعه یافتند.
مواد جدیدی مانند سرامیک، شیشه، و پلیمرها به عنوان مواد ساخت فیوزها مورد استفاده قرار گرفتند که باعث بهبود عملکرد، ایمنی و دقت فیوزها شد و در حال حاضر، فیوزها با استفاده از فناوری‌های پیشرفته‌تری مانند مدارهای الکترونیکی و سنسورهای حرارتی بهبود یافته‌اند.توانایی تنظیم دقیق‌تر جریان حفاظتی، سرعت بالاتر عملکرد در برابر جریانهای بیش از حد، و مقاومت بیشتر در برابر شرایط محیطی مختلف از ویژگی‌های مهم فیوزهای مدرن می‌باشد.
عملکرد فیوز
اگر بخواهیم عملکرد فیوز را به زبان ساده توضیح بدهیم میتوانیم بگوییم که فیوز دارای یک المان قطع کننده از جنس یک سیم یا نوار نازک است که درون یک محفظه عایق قرار گرفته است ، المان قطع کننده فیوز ماده ای با نقطه ذوب پایین است که به میزان خاصی می توان از آن جریان عبور داد و اگر جریان عبوری از این سیستم بیشتر از حد مجاز باشد باعث افزایش حرارت می شود و در نتیجه اگر حرارت المان قطع کننده بیشتر از ظرفیتش باشد ذوب می شود و اتصال را قطع میکند . حال از این تجهیز تحت عنوان فیوز برای حفاظت مدارات و تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی استفاده می شود.
دایره کاربرد فیوزها میتواند بسیار گسترده باشد ،بطور کلی اگر بخواهیم در مورد کاربرد فیوز بگوییم لازم است بیان بکنیم که هر مجموعه ای که شامل تجهیزات الکتریکی باشد برای حفاظت از آن تجهیزات در مقابل اضافه جریان ، به فیوز ها نیاز است. حال آن مجموعه می تواند شامل تجهیزات یک محیط صنعتی و خطوط توزیع برق باشد یا تجهیزات الکتریکی ساختمان ها.
پس در نتیجه حفاظت از تجهیزات الکتریکی در برابر جریانهای بیش از حد یکی از کاربردهای اصلی فیوزها درمحیط‌های صنعتی و ساختمانی، تجاری است. فیوزها با قطع کردن جریان در صورت افزایش ناگهانی آن، از خرابی و آسیب به تجهیزات و دستگاه‌های الکتریکی جلوگیری می‌کنند.
انواع فیوز ها از نظر سرعت عملکرد
فیوزهای تندکار و کندکار دو نوع فیوز حفاظتی هستند که با توجه به سرعت عملکرد و زمانی که برای قطع جریان نیاز دارند، استفاده می‌شوند.
فیوزهای تندکار (Fast-Acting Fuses):
این نوع فیوزها به سرعت در پاسخ به جریان بیش از حد فعال می‌شوند. زمانی که جریان بیش از حد به فیوز تندکار وارد می‌شود، عنصر ذوب آن به سرعت ذوب می‌شود و جریان را قطع میکند. این فیوزها برای حفاظت از تجهیزاتی که نیاز به حفظ از خطرات بسیار سریع دارند، مانند مدارهای الکترونیکی حساس یا قطعات نوری، مناسب هستند. بعنوان مثال میتوانیم به کلیدهای مینیاتوری یا فیوز های مینیاتوری نوع B اشاره کنیم، این نوع کلیدها عموماً در مصارف خانگی و روشنایی کاربرد دارند.این کلیدها در جریان اضافه‌بار بین ۳ تا ۵ برابر جریان نامی در زمان مشخص ، مدار را قطع می‌کنند و حساسیت مناسبی برای کاربردهای عادی خانگی دارند.این کلید به فیوز مینیاتوری تندکار معروف است.
فیوزهای کندکار (Time-Delay Fuses):
برخلاف فیوزهای تندکار، فیوزهای کندکار در برابر عبور جریان بیش از حد واکنش آرام تری از خود نشان می‌دهند و جریان را دیرتر قطع می‌کنند. با این اوصاف واکنش فیوزها ی کند کار در برابر جریان اتصال کوتاه تقریباً لحظه‌ای است.با توجه به نیازهای مختلف و شرایط عملیاتی، انتخاب میان فیوزهای تندکار و کندکار بر اساس سرعت و زمانی که برای قطع جریان لازم است، انجام می‌شود. بعنوان مثال کلید مینیاتوری یا فیوز مینیاتوری نوع C یک فیوز کند کار است. این فیوز برای پریز های ساختمانی مناسب است و معمولا 5 تا 10 برابر جریان نامی را تحمل می کند .
فیوزها از نظر فشار قوی و یا فشار ضعیف بودن
فیوزهای فشار قوی (High Voltage Fuses):
این نوع فیوزها برای حفاظت در برابر جریانهای بالا و ولتاژهای بالایی که در شبکه‌های توزیع برق، ترانسفورماتورها، و سیستم‌های بزرگ توزیع برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فیوزها معمولاً دارای ولتاژهای عملکرد بالا و توانایی تحمل فشارهای بالایی می‌باشند. آنها معمولاً از موادی مانند فولاد ضدزنگ، سرامیک یا گلس به عنوان مواد عایق استفاده می‌کنند. از این فیوزها در شبکه های بیشتر از 1000 ولت استفاده می شود. و شامل دو دسته می شوند.
1- فیوزهای کات اوت (cut out)
فیوزهای کات‌آوت (Cut-Out Fuses) یا همان فیوزهای قطع‌کننده، نوعی فیوز حرارتی هستند که در صورت بروز افزایش ناگهانی جریان الکتریکی، دما یا ولتاژ، به سرعت مدار را قطع می‌کنند. این فیوزها معمولاً در خطوط توزیع برق و سیستم‌های قدرت بزرگ استفاده می‌شوند و برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی و پیشگیری از حوادث ناخواسته مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مهمترین ویژگی فیوزهای کات‌آوت این است که علاوه بر حفاظت در برابر جریان بیش از حد، قابلیت بازسازی و استفاده مجدد دارند. بدین معنا که پس از قطع مدار به دلیل بروز حادثه، می‌توانند با تعویض قطعه ذوب شده، دوباره به کار افتاده و مدار را فعال کنند.
2-فیوزهای قدرت HH
فیوزهای قدرت HH یک نوع فیوز قدرتی هستند که برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی در سیستم‌های توزیع برق با ولتاژهای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فیوزها معمولاً در خطوط توزیع برق، ترانسفورماتورها، و سیستم‌های قدرتی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای حفاظت از تجهیزات از جریانهای بیش از حد و شوک‌های الکتریکی استفاده می‌شوند.
ویژگی اصلی فیوزهای قدرت HH این است که توانایی حفاظت از تجهیزات را با دقت و قدرت بالا دارند. این فیوزها معمولاً با استفاده از مواد مقاوم و با قابلیت تحمل ولتاژهای بالا و جریانهای قوی ساخته می‌شوند. علاوه بر این، فیوزهای قدرت HH دارای سیستم‌های خاصی هستند که به طور دقیق و سریع عمل می‌کنند و در صورت بروز حادثه، مدار را به سرعت قطع می‌کنند تا از آسیب به تجهیزات و افراد جلوگیری شود.
از دیگر ویژگی‌های فیوزهای قدرت HH می‌توان به قابلیت بازسازی و استفاده مجدد آنها پس از قطع مدار اشاره کرد. با تعویض بخش ذوب شده، می‌توان این فیوزها را دوباره فعال کرد و مدار را به کار ادامه داد. این ویژگی مهم است زیرا میتواند هزینه تعمیر و تعویض تجهیزات را به شدت کاهش دهد.
فیوزهای فشار ضعیف (Low Voltage Fuses):
این نوع فیوزها برای حفاظت در برابر جریانهای کمتر و ولتاژهای پایین‌تر استفاده می‌شوند که معمولاً در سیستم‌های الکتریکی کوچکتر و مصارف خانگی و صنعتی کاربرد دارند. این فیوزها معمولاً دارای ولتاژهای عملکرد کمتر و مقاومت‌های بسیار کمتری هستند. آنها معمولاً از موادی مانند فولاد، آلومینیوم و مس به عنوان مواد هادی استفاده می‌کنند.
با توجه به نیازهای خاص سیستم الکتریکی و ولتاژ و جریان مورد استفاده، انتخاب بین فیوزهای فشار قوی و فشار ضعیف اهمیت دارد تا حفاظت مناسب برای تجهیزات و سیستم‌ها فراهم شود.
فیوزها بر حسب مقدار ولتاژ و مکانیزم عمل :
فیوز مینیاتوری
نوعى فیوز اتوماتیک است که از نظر ساختمان داخلى به فیوز اتوماتیک شباهت دارد و از سه قسمت رله مغناطیسى (رله جریان زیاد زمان سریع برای قطع مدار در شرایط اتصال کوتاه)، رله حرارتى یا رله بى متال (رله جریان زیاد تأخیرى برای قطع مدار در شرایط اضافه بار) و کلید تشکیل شده است. این مجموعه را کلید مینیاتورى نیز مى نامند. این فیوزها در استاندارد VDEقدیم با دو حرف L و G نامگذارى مى شدند که حرف L نشان دهنده ى فیوز تندکار و در مصارف روشنایى به کار می رفت و حرف G کندکار و در راه اندازى موتورها استفاده مى شد.امروزه در استاندارد IEC نوع تندکار با حرف B و نوع کندکار با حرفC نشان داده مى شود. این فیوزها در انواع تک فاز و سه فاز ساخته مى شوند. فیوزهای مینیاتوری از رنج ۲ تا ۶۳ آمپر در بازار موجودند.فیوزهای مینیاتوری به صورت تکی ، دوتایی و سه تایی در بازار موجودند .
برای نصب این فیوزها به ریل های مینیاتوری نیاز است .جریان نامی این فیوزها به همراه حرف L یا B (تندکار) و یا حرف G یا C ( کندکار) بر روی بدنه آن ها مشخص می شود و نیازی به کدهای رنگی ندارند .مانند : B10 یا L10 که یک فیوز مینیاتوری تندکار با جریان نامی ۱۰A است و یا C20یا G20 که یک فیوز مینیاتوری کندکار با جریان نامی ۲۰A می باشد .
فیوز اتوماتیک
فیوز اتوماتیک یا آلفا نوعى فیوز خودکار است که عبور جریان بیش از حد مجاز از آن باعث قطع مدار مى شود؛ اما مى توان دوباره شستى آن را به داخل فشرد تا ارتباط برقرار گردد.بعضى از فیوزهاى خودکار دو عمل جریان زیاد و بار زیاد را در مدارها کنترل مى کنند؛ اما پس از قطع شدن، باید پس از مدت کمى دوباره شستى مربوط به آن را فشار داد تا مدار را وصل کند.به عبارتی این فیوزها یکبار مصرف نیستند .در فیوزهاى اتوماتیک دو عنصر مغناطیسى و حرارتى وجود دارد. اولى اتصال کوتاه یا جریان زیاد و دومى (بى متال) بار زیاد (افزایش جریان تدریجى) را قطع مى کند.
فیوز فشنگی
فیوزهای فشنگی از سه بخش پایه فیوز ، بدنه استوانه ای یا فشنگ و کلاهک شیشه دار تشکیل شده اند. در داخل بدنه استوانه ای یا همان فشنگ نوار فلزی ذوب شونده که از جنس آلیاژ مخصوص و گاهی از جنس نقره است قرار می گیرد.
اطراف این نوار را از کوارتز فشرده پر می کنند که باعث خنک شدن سیم ذوب شونده و جلو گیری از ایجاد جرقه در داخل فیوز می گردد تا هنگام عبور جریان، سیم بیش از اندازه گرم نشود.
فیوز کاردی یا چاقوئی
فیوز های کاردی یا چاقویی جزء فیوزهای فشار قوی هستند و برای حفاظت ترانسفورماتورهای توزیع و در انواع تابلوهای برق و در شبکه های با توان زیاد استفاده می شود.فیوز های کاردی دارای مزایای زیادی می باشند: سرعت عملکرد بالایی
️ تعویض سریع قیمت مناسب به نسبت کاربردکاهش چشمگیر در تلفات سیستم های الکتریکی این مزایا باعث شده در سطح وسیعی در صنعت مورد استفاده قرار گیرد.
فیوز شیشه ای
همانطور که از اسم این فیوز پیداست فیوزهای شیشه ای دارای بدنه ای از جنس شیشه و یا سرامیک هستند که درون آن یک سیم فلزی قرار دارد . وقتی جریان بیش از حدی در مدار ایجاد شود سیم فلزی در داخل فیوز به دلیل افزایش دما ذوب شده و مدار را قطع می کند. بارز ترین کاربرد فیوز های شیشه ای حفاظت از تجهیزات الکتریکی در مدار های کم ولتاژ است.
فیوز کاردی یا چاقوئی
فیوز های کاردی یا چاقویی جزء فیوزهای فشار قوی هستند و برای حفاظت ترانسفورماتورهای توزیع و در انواع تابلوهای برق و در شبکه های با توان زیاد استفاده می شود.فیوز های کاردی دارای مزایای زیادی می باشند:
سرعت عملکرد بالایی،تعویض سریع قیمت مناسب به نسبت کاربرد کاهش چشمگیر در تلفات سیستم های الکتریکی این مزایا باعث شده در سطح وسیعی در صنعت مورد استفاده قرار گیرد.
انتخاب فیوز مناسب بر اساس جریان مصرف کننده و جریان نامی
انتخاب مناسب فیوزها بر اساس جریان مصرف کننده و جریان نامی مهم است تا حفاظت موثری برای تجهیزات و مدارها فراهم شود. در اینجا مراحل انتخاب فیوزهای مناسب با توجه به این دو عامل ذکر می‌شود.
تعیین جریان مصرف کننده:
ابتدا باید جریان مصرفی تجهیزات یا مدارهای الکتریکی که قصد حفاظت از آنها را دارید، را اندازه‌گیری کنید. این جریان مصرفی میتواند با استفاده از آمپرمترها یا اطلاعات فنی تجهیزات مشخص شود.
تطابق با جریان نامی فیوز:
باید فیوزی با جریان نامی مناسب برای تجهیزات مصرفی انتخاب کنید. جریان نامی فیوز باید کمتر از جریان مصرف کننده باشد تا در صورت بروز جریان بیش از حد، فیوز به طور موثر عمل کند و مدار را قطع کند.
نوع فیوز:
بعد از تعیین جریان مصرف کننده و جریان نامی، باید نوع فیوز مناسب را انتخاب کنید. ممکن است نیاز به فیوزهای لوله‌ای، شیاردار، سرامیکی یا مینیاتوری داشته باشید، بسته به نیازهای خاص مدار و تجهیزات.
استانداردها و مشخصات فنی:
حتماً باید اطمینان حاصل کنید که فیوز انتخابی با استانداردها و مشخصات فنی مورد نیاز همخوانی دارد. این شامل ولتاژ عملکرد، توان، نوع و مدل فیوز، و سایر مشخصات فنی مربوطه می‌شود.
محافظت اضافی:
در برخی موارد، ممکن است نیاز به محافظت اضافی با استفاده از فیوزهایی با جریان نامی کمتر یا فیوزهای کندکارتر باشد تا از حفاظت بیشتری برخوردار باشید.با رعایت این مراحل و توجه به جریان مصرف کننده و جریان نامی، می‌توانید فیوزهایی را انتخاب کنید که به طور موثر از تجهیزات و مدارهای الکتریکی محافظت کنند.
آینده فیوز ها
آینده فیوزها به طور کلی به سمت پیشرفت و بهینه‌سازی تکنولوژی، افزایش دقت و سرعت عملکرد، و ارتقاء قابلیت‌های حفاظتی آنها رفته است، با پیشرفت‌های فناوری و نیازهای جدید صنایع مختلف به سمت بهینه‌سازی و ارتقاء مستمر پیش می‌رود. برخی از جهت‌هایی که ممکن است در آینده برای فیوزها مشاهده شود عبارتند از:
- افزایش دقت و سرعت عملکرد: با پیشرفت در فناوری‌های نیمه‌هادی و مواد پیشرفته، فیوزها قادر خواهند بود با دقت و سرعت بیشتری عمل کنند. این به معنای تشخیص و پاسخ سریع‌تر به اضافه بارها و خطاهای الکتریکی خواهد بود.
- ارتقاء قابلیت‌های حفاظتی: فیوزهای آینده ممکن است دارای قابلیت‌های حفاظتی پیشرفته‌تری باشند، مانند قابلیت تشخیص و پاسخ به شرایط مختلف خطا، از جمله اضافه بار، اتصال کوتاه، و نشتی زمین. این ویژگی‌ها به بهبود امنیت و کاهش خرابی‌ها کمک می‌کنند.
- فیوزهای هوشمند: ادغام فناوری‌های اینترنت اشیاء (IoT) و هوش مصنوعی (AI) میتواند به ایجاد فیوزهای هوشمند کمک کند که قادر به مانیتورینگ و مدیریت وضعیت شبکه‌های الکتریکی به صورت آنی و هوشمند هستند. این فیوزها می‌توانند اطلاعات را جمع‌آوری کرده و تحلیل کنند تا عملکرد بهینه‌تری داشته باشند.
- کوچک‌سازی و بهبود کارایی: فیوزهای کوچکتر و کارآمدتر می‌توانند در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و حساس به کار گرفته شوند، جایی که فضای کمتری در دسترس است و نیاز به حفاظت دقیق‌تر دارند.
- مصرف انرژی پایین‌تر: فیوزهای جدید ممکن است به گونه‌ای طراحی شوند که انرژی کمتری مصرف کنند، که این امر به بهبود بهره‌وری انرژی در سیستم‌های الکتریکی کمک میکند.
- مواد جدید و نوآورانه: استفاده از مواد جدید و نوآورانه در ساخت فیوزها میتواند به افزایش عمر مفید و کارایی آنها منجر شود. به عنوان مثال، مواد نانویی و ترکیبات پیشرفته می‌توانند در ساخت فیوزهای مقاوم‌تر و سبک‌تر استفاده شوند.
- قابلیت بازیابی: فیوزهای قابل بازیابی (resettable fuses) که می‌توانند پس از رفع خطا مجدداً به حالت عادی بازگردند، ممکن است بیشتر مورد استفاده قرار گیرند. این نوع فیوزها می‌توانند هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش دهند.
- تطبیق‌پذیری بیشتر: فیوزهای آینده احتمالاً قابلیت تطبیق با شرایط مختلف شبکه‌های الکتریکی و دستگاه‌های مختلف را خواهند داشت، به طوری که می‌توانند در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار گیرند.
حفاظت از محیط زیست:
طراحی فیوزهایی که به طور موثر از منابع طبیعی استفاده می‌کنند و در هنگام استفاده و دور انداختن آنها به محیط زیست آسیب کمتری وارد می‌کنند، میتواند در جهت حفاظت از محیط زیست تاثیرگذار باشد.
این تغییرات و پیشرفت‌ها در زمینه فیوزها بهبودهای مهمی در عملکرد و امکانات حفاظتی آنها را به همراه خواهد داشت و در نهایت میتواند به افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان در سیستم‌های الکتریکی و صنعتی منجر شود.