בחירת נתיך - איך בוחרים נתיך?



 

בחירת נתיך - איך בוחרים נתיך?

 

רקע כללי

 

בחירת נתיכים

By André Karwath [CC-BY-SA-2.5], via Wikimedia Commons

נתיך (Fuse) הוא רכיב חשמלי שמטרתו להגן על מעגלים חשמליים מפני זרמי יתר (קצרים או עומס יותר). הנתיך פועל בשיטה של ניתוק המעגל החשמלי ממקור המתח כאשר זורם דרכו זרם גבוה.

 

רב הנתיכים הקיימים הם נתיכים חד פעמיים – זרם שזורם דרכם גורם להתכה של המוליך שבתוכם וכך נוצר הניתוק בין המעגל החשמלי למקור המתח. במידה והנתיך הותך, אין אפשרות להשמיש אותו מחדש ויש להחליפו בנתיך חדש.

 

 

בשרטוטים חשמליים מסמנים את הנתיך בסימונים הבאים:

 

סימן סכמטי של נתיכים

 

מבנה נתיך

 

לב הנתיך הוא תיל מוליך שמעביר את הזרם ממקור המתח למעגל החשמלי. קיבולת הזרם שהתיל מאפשר להעביר תלויה בחומר ממנו (בדרך כלל סגסוגת על בסיס נחושת) הוא עשוי ובעובי. תיל יותר עבה מאפשר הזרמת זרם גבוה יותר.

 

התיל המוליך מוקף בחומר מבודד. עבור מעגלים פשוטים וזרמים נמוכים החומר המבודד הוא לרב פלסטיק או זכוכית. עבור זרמים חזקים יותר (בדרך כלל מעל ל-25) החומרים הם קראמיים.

 

בין החומר המבודד לתיל עצמו קיים תווך ריק שמכיל אוויר (עבור זרמים נמוכים יותר) או חול (עבור זרמים גבוהים יותר).

 

עקרון פעולת נתיך (Fuse Operation Principle)

 

הנתיך מחובר אל בית נתיכים (Fuse Box / Fuse Holder) כאשר קצה אחד שלו מחובר למקור המתח וקצה שני מחובר למעגל החשמלי. נתיכים תמיד מחוברים בטור למעגל החשמלי. כאשר זורם דרך המוליך בנתיך, ההתנגדות שלו גורמת ליצירת אנרגיית חום. במידה וזורם זרם גבוה מדי, החום הגבוה שנוצר במוליך גורם להתכה של החומר המוליך או התכה של ההלחמה שמחברת את התיל המוליך לקצות הנתיך. בשני המקרים האלה נוצר נתק שמנתק את המעגל החשמלי.

 

 

 

סוגי נתיכים מיוחדים (Special Fuse Types)

 

קיימים מספר נתיכים מיוחדים:

 

נתיכים בתעשיית הרכב (Automotive Fuses)

 

נתיכים אלה משמשים בתעשיית הרכב להגן על המעגלים החשמליים ברכבים. קיימים גדלים שונים של נתיכים אלה והם תלויים בפרמטרים שלהם: מתח מותר, זרם מקסימלי ועוד. רוב הנתיכים הללו מוגדרים לעבוד במתח של 32V ומשמשים להגן על מעגלים בעלי מתח 24VDC.

 

 

נתיכי אתחול (PPTC / Resettable Fuses)

 

נתיך זה (PPTC – Polymeric Positive Temperature Coefficient) הוא נתיך שמשנה את התנגדותו כאשר זורם דרכו זרם יתר. זרם היתר גורם לחימום של הרכיב והחימום גורם לשינוי ההתנגדות (ההתנגדות עולה לרמה של מאות ואלפי אוהם). הגברת ההתנגדות גורמת להקטנה בזרם שעובר דרך הנתיך.

 

נתיכי אתחול

 

נתיכים תרמיים (Thermal Fuses)

 

נתיך תרמי הוא נתיך שהמוליך בו הוא בעצם קפיץ ששומר על מגע בין שני קצות הנתיך. כאשר הטמפרטורה בסביבת הקפיץ עולה באופן משמעותי, המוליך שמחזיק את הקפיץ נמס וגורם לו להשתחרר. שחרור זה מנתק את המעגל. יישום זה בא לידי ביטוי במכשירים מחממים (תנורים, מייבשי שיער, קומקומים ועוד) ומטרתו למנוע שריפות שעלולות להיגרם מפעולת המכשיר.

 

נתיכים טרמיים

 

 

סימון נתיכים (Fuse Numbering and Coding)

 

נתיכים מסומנים במספר פרמטרים על גבי גוף הנתיך או על קצות הנתיך. לא תמיד כל המידע יופיע על גבי הנתיך (לדוגמא בנתיכי SMT לעיתים לא מופיע שום סימון). הפרמטרים שמסמנים את הנתיכים ומאפייני נתיך הם:

  • זרם מקסימלי (Rated Ampere)
  • מתח מותר (Rated Voltage)
  • קבוע זמן / מהירות התגובה של הנתיך (Time-Current)
  • אישורים (Approvals) – על פי איזה תקן אישרו את הנתיך
  • מספר יצרן (Manufacturing Part Number)
  • יכולת בלימה (Breaking Capacity)

 

דוגמאות לסימון של נתיכים שונים:

 

 

מאפייני נתיך (Fuse Characteristics)

 

בחירת נתיכים מאופיינת משיקולים רבים. למטה מופיע פירוט של מאפייני נתיכים נפוצים שלרב מופיעים בדפי הנתונים של נתיכים:

 

מאפיין

סימון

הסבר

זרם מותר

Rated Current

IN

הזרם המקסימלי שיכול לזרום דרך הנתיך לפני שיהפוך לנתק

מהירות תגובה

Speed

 

הזמן שלוקח לנתיך להפוך לנתק. בהמשך יפורטו סוגי מהירות של נתיכים.

אנרגיית ניתוק

Let Through Energy

I2t

כמות האנרגיה הדרושה לניתוק של הנתיך.

יכולת בלימה

Breaking Capacity

 

יכולת הבלימה היא מאפיין שמתאר את הזרם המקסימלי שבו הנתיך מהווה נתק. מעל לערך זה תיווצר קשת חשמלית בין שני קצוות הנתיך ואז הוא יהפוך לקצר. לרב נתון זה הוא פי 10 מהזרם המותר.

מפל מתח

Voltage Drop

 

כמה מתח "נופל" על הנתיך. זרם שזורם במוליך של הנתיך גורם לחימומו וזה בתורו גורם לשינוי במפל המתח על הנתיך. שיקול זה חשוב בעת תכנון המעגל החשמלי.

פיצוי טמפרטורה

Temperature Derating

 

מאפייני הנתיך משתנים כתלות בטמפרטורת הסביבה. רב המאפיינים המופיעים בדפי נתונים מתייחסים לנתיכים בטמפרטורת סביבה של 25°C. טמפרטורה נמוכה מכך תשפר את ביצועי הנתיך וטמפרטורה גבוהה תגרע מהביצועים.

התנגדות התחלתית

(Initial Resistance)

 

ההתנגדות ההתחלתית של הנתיך. נתון זה מאפיין לרב נתיכי אתחול PPTC.

מתח פעולה מותר

Operating Voltage

 

המתח המקסימלי שניתן להפעיל על הנתיך שלא יגרום לנזק לנתיך

זרם הכשלה

Trip Current

 

הזרם שגורם לנתיך להגדיל את ההתנגדות. נתון זה מאפיין נתיכי אתחול PPTC.

זמן עד להכשלה

Time to Trip

 

הזמן שלוקח לנתיך להעלות את ההתנגדות שלו כתוצאה מעליית החום בנתיך. נתון זה מאפיין נתיכי אתחול PPTC.

זרם זליגה

Leakage Current

 

כמות הזרם שזולג למעגל החשמלי לאחר שהנתיך הגביר את התנגדותו.  נתון זה מאפיין נתיכי אתחול PPTC.

פיזור הספק

Power Dissipation

 

כמה הספק מפוזר בנתיך  במצב בו ההתנגדות שלו עלתה. נתון זה מאפיין נתיכי אתחול PPTC.

 

 

לרב הנתיכים קיים אופיין זרם-זמן. גרף שמתאר את היחס בין הזרם שזורם בנתיך לבין הזמן שייקח לו להפוך לנתק. קיימים מספר סוגי אופיינים של נתיכים:

 

שם

סימון

שימושים

נתיך מהיר

Fast Fuse

Fast Blow Fuse

F

משמש לרב להגנת מעגלים ללא צרכני זרם גדולים (כגון מנועים). לרב יגן על רכיבים מוליכים למחצה (מעגלים משולבים, טרנזיסטורים, דיודות וכו').

נתיך אולטרא מהיר

Ultra Rapid Fuse

Fast-Fast Blow Fuse

FF

הגנה פנימית של מכשירים. לרב יגן על רכיבים מוליכים למחצה (מעגלים משולבים, טרנזיסטורים, דיודות וכו').

נתיך איטי

Time Delay Fuse

Slow Blow Fuse

T

הגנת מעגלים חשמליים המזינים מנועים

 

 

לדוגמה, נתיך רגיל מצריך זרם כפול מהזרם המותר בכדי להפוך לנתק תוך1 שנייה.

נתיך מהיר מצריך זרם כפול מהזרם המותר בכדי להפוך לנתק תוך 0.1 שנייה.

נתיך איטי מצריך זרם כפול מהזרם המותר בכדי להפוך לנתק תוך עשרות שניות.

 

גרף ניתוק של נתיכים

© US Navy

 

טיפים בבחירת נתיך (Fuse Selection Tips)

 

בעת בחירת נתיך מתאים למעגל חשוב לענות על מספר שאלות שישפיעו על בחירת נתיך מתאים:

 

  1. מהם הזרמים הצפויים לזרום במעגל החשמלי?
  2. מהו מתח ההזנה של המעגל החשמלי?
  3. האם המעגל פועל על בסיס מתח ישר DC או מתח חילופין AC?
  4. מהי טמפרטורת הסביבה (Ambient Temperature) בזמן פעולת המעגל החשמלי?
  5. מהו הזרם המותר במצב של קצר במעגל?
  6. מהי אנרגיית הניתוק I2t המותרת?
  7. האם צפויים זרמי פריצה רגעיים (In-Rush Current)?
  8. האם יש הגבלות לגודל הפיזי של הנתיך?
  9. האם הנתיך מצריך החלפה בשטח (Field Replacement)?
  10. כיצד ימוקם הנתיך במכשיר?

 

מהם הזרמים הצפויים לזרום במעגל החשמלי?

 

יש להגדיר את הזרם המקסימלי שצפוי לזרום במעגל החשמלי בתנאי טמפרטורת סביבה של 25°C (68°F). לאחר שהוגדר הזרם המקסימלי במעגל יש להכפיל את הערך הזה במקדם בטחון של 1.35 ומעלה. הזרם המקסימלי של הנתיך הוא התוצאה של ההכפלה במקדם הבטחון.

 

לדוגמה, עבור מעגל חשמלי שצריכת הזרם המקסימלית בו צפויה להיות 1A, ייבחר נתיך בעל זרם מקסימלי של 1.35A ומעלה.

 

 

מהו מתח ההזנה של המעגל החשמלי?

 

מתח הפעולה של הנתיך יהיה תמיד גדול יותר ממתח ההזנה המקסימלי של המעגל החשמלי. לדוגמה, במעגל חשמלי שפועל במתח של 24V יחובר נתיך בעל 25V או 50V או 250V.

 

 

האם המעגל פועל על בסיס מתח ישר DC או מתח חילופין AC?

 

כאשר מתח וזרם חילופין פועלים על נתיך הם מסייעים לנתיך ל"התקרר" מהר כאשר הזרם קרוב לזרם המקסימלי של הנתיך. במתח וזרם DC מדובר בזרמים קבועים. קיימים נתיכים שמיועדים לעבוד במתחי AC ונתיכים שמיועדים לעבוד במתחי DC. ניתן להשתמש בנתיך AC עבור מעגל שעובד על מתח DC אך יש להגדיל בהתאם את ערך הזרם המותר (Voltage Derating).

 

 



מהי טמפרטורת הסביבה (Ambient Temperature) בזמן פעולת המעגל החשמלי?

 

טמפרטורת הסביבה משפיעה על מהירות ההתכה של הנתיך. ככל שהטמפרטורה חמה יותר כך ייקח לנתיך להישרף מהר יותר. ככל שהטמפרטורה קרה יותר כך ייקח לנתיך להישרף לאט יותר.

 

לכן, כאשר טמפרטורת הסביבה חמה יותר מ-25°C, יש לבחור בנתיך בעל זרם מקסימלי מותר גבוה יותר ממה שחושב בסעיף הראשון.

 

כלל אצבע בחישוב מחדש של הזרם המקסימלי של הנתיך הוא:

 

עבור כל עלייה של 20°C בטמפרטורת הסביבה, יש להגדיל את הזרם המקסימלי של הנתיך פי 10-15% (כלומר, יש להכפיל את הערך שחושב בשאלה הראשונה ב-1.1 או ב-1.5).

עבור כל ירידה של 20°C בטמפרטורת הסביבה, יש להקטין את הזרם המקסימלי של הנתיך פי 10-15% (כלומר, יש לחלק את הערך שחושב בשאלה הראשונה ב-1.1 או ב-1.5).

 

לדוגמה, יש לבחור נתיך שיגן על מעגל חשמלי שהזרם המקסימלי הצפוי בו הוא 1A. טמפרטורת הסביבה הצפויה במעגל היא 65°C. לכן החישוב ייראה כך:

 

1A X 1.35 X (1.15 + 1.15) = 1.755A

 

הנתיך שייבחר עבור מעגל חשמלי כזה בתנאי סביבה כאלה הוא 1.755A ומעלה.

 

 

מהו הזרם המותר במצב של קצר במעגל?

 

כאמור, נתיך מתנתק כאשר עובר דרכו זרם שגבוה יותר מהזרם המותר עליו. אך אם מגדילים את הזרם הזה אף יותר ניתן להגיע למצב בו הנתיך עלול להתפוצץ ולגרום לנזק לציוד ולפציעות בנפש.

 

כאשר מחברים מעגל חשמלי אל מקור מתח יש לקחת בחשבון מהו הזרם המקסימלי שמקור המתח יכול לספק כאשר המעגל החשמלי הופך לקצר. החישוב מתבסס על הזרם המקסימלי שמקור המתח מסוגל לספק, התנגדות המוליכים במעגל החשמלי שמשמשים כקצר וההתנגדות הפנימית של מקור המתח.

 

לאחר שהזרם במצב קצר חושב, ניתן להגדיר את הנתיך שיעמוד בזרם זה.

 

במקרים מעין אלה, נהוג לתכנן שני נתיכים בטור אחד אחרי השני. הנתיך הראשון הוא הנתיך הגדול ביותר שאמור להגן על כל המעגל ועל הנתיך הראשון במידה ונוצר קצר במעגל ומקור המתח מקוצר (זרימת זרם גבוהה ביותר). הנתיך השני הוא נתיך קטן יותר ומטרתו להגן על הרכיבים במעגל החשמלי.

 

 

מהי אנרגיית הניתוק I2t המותרת?

 

כאשר זורם זרם גדול מהזרם המקסימלי בנתיך, הוא מתחיל בתהליך הניתוק. תהליך זה אורך זמן מסויים. במהלך הזמן הזה, אנרגיה ממשיכה לעבור בין מקור המתח למעגל החשמלי. יש לבחור בנתיך בעל ארגיית ניתוק הנמוכה מהאנרגיה החשמלית שרכיבים במעגל יכולים לספוג.

 

כיצד יודעים מהי היכולת של הרכיבים הללו?

 

לכל רכיב יש דף נתונים שהיצרן מספק. בדף הנתונים מופיע הזרם המקסימלי המותר על הרכיב והזרם המקסימלי הרגעי המותר על הרכיב. נתון זה לרב יופיע ביחידות של A/sec.

לדוגמה, מיקרובקר אמור לקבל זרמים עד 0.1mA באופן יציב (Steady State) אך באופן רגעי הוא ימשיך לעבוד אם ייכנס בו זרם של 0.2mA למשך 0.1sec. מכאן האנרגייה החשמלית המותרת על הרכיב היא: 0.2 X 0.2 X 0.1 = 0.004 [A²sec].

 

 

האם צפויים זרמי פריצה רגעיים (In-Rush Current)?

 

זרם פריצה רגעי הוא זרם שמאופיין בצריכת זרם התחלתית גבוהה ביותר מהצרכנים שמחוברים למעגל החשמלי (לדוגמה, מנועים, מאווררים, קבלים ועוד). זרם זה עלול להגיע לעד פי 10 מהזרם המקסימלי הצפוי במעגל. לדוגמה, מנוע חשמלי בעל צריכת זרם של 6A עלול לצרוך זרם של עד 60A בהתנעה שלו. לרב, זמן הדעיכה של הזרמים הללו הוא סביב 1-2 שניות. במהלך הפריצה, מטרת הנתיך היא להחזיק מעמד ולא להישרף. במצב זה נהוג לבחור בנתיכים איטיים (Time Delay Fuse).

 

 

האם יש הגבלות לגודל הפיזי של הנתיך?

 

כמו בכל רכיב מכני או חשמלי שממוקם בתוך רובוט או מכונה, גם נתיכים תופסים מקום. גם הגודל וגם הצורה של הנתיכים משפיעה על תכנון המיקום שלהם. באופן כללי, ככל השנתיך קטן יותר כך צריכת הזרם המקסימלית המותרת בו היא נמוכה יותר.

 

 

האם הנתיך מצריך החלפה בשטח (Field Replacement)?

 

נתיך הוא רכיב חד פעמי. כאשר הוא נשרף (ומגן בהצלחה על המעגל החשמלי) יש להחליפו בנתיך חדש. החלפה נתיך יכולה להיות פעולה פשוטה ביותר או פעולה מסובכת ביותר. הכל תלוי בתכנון של הנתיך ברובוט או במכונה.

 

עם זאת, יש מקרים בהם נתיך שנשרף לא יוחלף על ידי משתמש הקצה וזה מתוכנן בכוונה. הסיבות סובבות סביב עלות כלכלית. דוגמאות:

 

  1. החלפה של נתיך במעגל חשמלי כרוכה בתכנון בית נתיך (Fuse Holder). ייצור של אלפי ואף עשרות-אלפי מעגלים חשמליים שכוללים בית נתיך מצריכים תוספת כספית משמעותית לעלות הייצור של המעגל. לעיתים מעדיפים להשתמש בנתיכי SMT שמולחמים בצורה קבועה על גבי המעגל החשמלי. החלפה של נתיך כזה מצריכה הוצאה של הנתיך באמצעות הלחמה ותהליכים מיוחדים.
  2. לעיתים, נתיך ממוקם במקום רגיש מבחינה מכנית. כלומר, אדם לא מיומן שינסה להחליף את הנתיך עלול לפגוע ברכיבים או מנגנונים אחרים ברובוט או במכונה. לכן אל מאפשרים לו כלל לבצע זאת וההחלפה תתבצע באמצעות היצרן בלבד.
  3. סיבה נוספת היא מודל כלכלי ידוע מראש. היצרן או החברה שנותנת שירותי תחזוקה לרובוט או למכונה לוקחים בחשבון שכל נתיך שמתקלקל מצריך הזמנה של טכנאי שירות או שירותי מעבדת תיקונים. במקרה כזה, החברה מרוויחה כסף נוסף משירות תיקונים. אם הם יתכננו את הנתיך כך שהצרכן יחליף בעצמו את הנתיך, הם לא ירוויחו כסף מהתיקונים.

 

כיצד ימוקם הנתיך במכשיר?

 

ישנן מספר שיטות למיקום נתיכים ברובוט או במכונה. למטה מופיעות מספר דוגמאות נפוצות:

 

שיטת חיבור תיאור תמונה

הלחמה

Direct Soldering

הנתיך מולחם ישירות למעגל המודפס. שיטה זו מורידה את עלות הייצור של המעגל המודפס פי כמה אך עם זאת מונעת החלפה של נתיכים על ידי המשתמשים (אלא אם כן הם יודעים להפעיל מלחם) הלחמת נתיכים על לוח אלקטרוני

תפסני נתיכים

Fuse Clips

תפסני נתיכים הם רכיבים לא יקרים ומאפשרים החלפה פשוטה של הנתיכים. התפסנים לרב מחוברים למעגל המודפס ואינם גלויים לסביבה החיצונית. תפסני נתיכים בהם במידות המתאימות לנתיכים המתאימים. הכנסת נתיך גדול מדי לתפסן קטן מדי עלול לפגום בו. תפסני נתיכים

מחזיק נתיך לפאנל

Panel Mounted FuseHolder

השיטה הנוחה ביותר להחלפת נתיך מבחינת המשתמש. מדובר בהתקן מכני שדומה למיכל שלתוכו מוכנס הנתיך ומהודק באמצעות סיבוב המכסה. זוהי גם השיטה היקרה ביותר היות והיא מצריכה קדיחת חור מתאים להתקן הזה והלחמת הקצוות שלו. התקנים אלה מתאימים לרב לנתיכים עד 30A. מחזיק נתיך

קופסת נתיכים

Fuse Block

קופסאות נתיכים מבוססות על סידור של מספר תפסני נתיכים. היתרון בקופסת נתיכים היא שאין צורך להלחים אותה למעגל המודפס. החיסרון הוא הנפח שהיא מבזבזת ברובוט או במכונה. קל יותר להחליף נתיכים המסודרים בתוך קופסת נתיכים. מדובר בפתרון יקר יותר מסידור של כמה תפסני נתיכים.

מחזיק נתיכים טורי

Inline Fuse Holder

מחזיק נתיכים טורי הוא בעצם מיכל שלתוכו מוכנס הנתיך ושני חוטים יוצאים משתי קצותיו. חיבור החוטים הללו למעגל חשמלי "מחדירים" את הנתיך בטור למעגל ומגנים עליו. מחזיק זה לרב מתאים לנתיכים עד 100A (במתחים נמוכים) או עד 30A (במתחים גבוהים) מחזיק נתיך טורי

 

 

 

 

 

 


 

נכתב ע"י ערן צנציפר (מנהל אתר Robot-and-Machines-Design)