Awarie zdarzają się we wszystkich urządzeniach elektronicznych, niezależnie od ich stopnia złożoności, przeznaczenia, czy nawet warunków pracy. I choć trudno byłoby zabezpieczyć dany sprzęt przed wszystkimi możliwymi typami usterek, to niektóre z nich nie tylko trzeba przewidzieć już na etapie konstrukcji, ale także skutecznie się przed nimi zabezpieczyć. Jednym z najczęściej spotykanych efektów uszkodzenia elektroniki jest wzrost (zwykle nagły, ale czasem także stopniowy, powolny) poboru prądu. W niektórych przypadkach – np. w urządzeniach zasilanych z akumulatora lub baterii – spowoduje to jedynie szybszą utratę energii; bardziej spektakularne i (niestety) katastrofalne w skutkach będą natomiast przepalenia ścieżek na płytkach drukowanych, nieodwracalne przeciążenia elementów półprzewodnikowych, transformatorów bądź elementów pasywnych, czy wreszcie – silny wzrost temperatury okablowania, który może doprowadzić nawet do pożaru. A z całkiem sporymi prądami mamy przecież do czynienia także w instalacjach samochodowych, aparaturze pomiarowej (głównie amperomierzach) i wielu innych układach elektronicznych. Niezawodną metodą zabezpieczenia przed kosztownymi i niebezpiecznymi awariami jest zastosowanie bezpieczników.
Bezpiecznik – co to jest i jak działa?
Mianem bezpiecznika nazywamy najczęściej prosty element bierny, którego zadaniem jest odcięcie drogi przepływu prądu (zwykle w obwodzie zasilania urządzenia) po przekroczeniu pewnego krytycznego jego natężenia. Rzecz jasna, ten próg zadziałania zależy od rodzaju bezpiecznika i warunków jego pracy – nie da się stworzyć jednego, uniwersalnego elementu do wszystkich możliwych zastosowań. Konwencjonalne bezpieczniki topikowe mają postać szklanej rurki, zakończonej dwoma metalowymi „kapturkami”, pomiędzy którymi znajduje się cienki drucik. Przepływ prądu o dużym natężeniu powoduje powstanie na druciku spadku napięcia, a zatem także strat mocy – przewodnik ulega stopniowemu nagrzewaniu, a po przekroczeniu wytrzymałości termicznej po prostu przepala się, przerywając dopływ prądu z układu zasilania do obciążenia. Im grubszy drut, tym mniejsza jest jego rezystancja i wyższe natężenie prądu, konieczne do przerwania obwodu. Już tutaj widzimy pierwszy, najważniejszy parametr każdego bezpiecznika – prąd nominalny. Ale czy to już wszystko, co musimy wiedzieć o tym nad wyraz prostym elemencie? Zdecydowanie nie!
Diabeł tkwi w szczegółach – napięcie maksymalne i prąd wyłączania
Ustaliliśmy już, że po przepaleniu drucika, w obwodzie powstaje przerwa – ponieważ jego część (zwykle umiejscowiona blisko środka bezpiecznika) odparowuje w momencie spalania, wolne końce drucika przymocowane jeszcze do metalowych końcówek są w pewnej odległości od siebie. Jeżeli jednak napięcie panujące w rozwartym obwodzie będzie zbyt wysokie, może powstać łuk elektryczny (widoczny jako jasna „iskra” wewnątrz szklanej rurki), który utrzyma przepływ prądu pomimo zniszczenia bezpiecznika. Każdy taki komponent musi zatem mieć określony przez producenta próg napięcia, przy którym bezpiecznik może jeszcze poprawnie pełnić swoją funkcję. Co więcej – nawet jeżeli napięcie w obwodzie było stosunkowo niskie, to łuk może i tak powstać w przypadku, gdy układ jest zdolny do przewodzenia prądu o bardzo dużym natężeniu. Taka sytuacja ma miejsce np. w instalacjach samochodowych, w których – z uwagi na obecność bardzo „mocnego” (mamy tutaj na myśli bardzo wysoką wartość prądu zwarciowego) źródła energii w postaci akumulatora – prąd w sytuacji awaryjnej może osiągać wartości rzędu tysiąca i więcej amperów! Dlatego też w notach katalogowych bezpieczników można spotkać się z tzw. zdolnością wyłączania, czyli natężeniem prądu, przy którym bezpiecznik nadal może skutecznie odciąć zasilanie.
Szybkość działania bezpiecznika
Bezpieczniki można podzielić na dwie zasadnicze grupy pod względem szybkości działania. Wkładki topikowe określane mianem zwłocznych (WTA-T lub po prostu T) to elementy, które są dość czułe nawet na stosunkowo niewielkie przekroczenie prądu nominalnego (mówiąc „niewielkie” mamy tutaj na myśli 2..3-krotność tej wartości) i odetną dopływ energii zazwyczaj już po kilkunastu..kilkudziesięciu sekundach. Bezpieczniki zwłoczne nie są jednak zbyt czułe na krótkotrwałe impulsy prądowe, dlatego doskonale nadają się do współpracy np. z zasilaczami transformatorowymi, które podczas rozruchu potrafią pobrać z sieci prąd o naprawdę sporym natężeniu (zwłaszcza, jeżeli mamy do czynienia z transformatorem toroidalnym). W przypadku, gdy dany bezpiecznik powinien szybko reagować na nagłe impulsy prądowe, należy sięgnąć po tzw. bezpiecznik szybki (oznaczany czasem literą F) – tego typu elementy doskonale nadają się np. do obwodów wejściowych amperomierzy, gdyż wczesna reakcja na nagły wzrost natężenia prądu pozwala uchronić bardzo delikatne elementy miernika przed nieodwracalnym (i często bardzo kosztownym) uszkodzeniem.
Inne rodzaje bezpieczników
W praktyce można spotkać się także z wieloma innymi rodzajami bezpieczników. Przykładowo, elementy przeznaczone do instalacji samochodowych mają płaskie obudowy z kolorowego, przezroczystego tworzywa sztucznego i są wyposażone w prostokątne konektory dostosowane do gniazd, znajdujących się w skrzynkach rozdzielczych pojazdów. Kolor obudowy pozwala określić prąd znamionowy bezpiecznika (co ważne, barwy są ogólnie przyjęte i stosowane przez wszystkich producentów). W urządzeniach elektronicznych powszechnie stosowane są natomiast miniaturowe bezpieczniki polimerowe PTC, dostępne zarówno w obudowach przewlekanych (o wyglądzie zbliżonym do dużych kondensatorów ceramicznych), jak i przeznaczonych do montażu powierzchniowego (SMD). Zasada działania bezpiecznika polimerowego jest jednak diametralnie inna, niż w przypadku omówionych wcześniej wkładek topikowych – wzrost poboru mocy przez obciążenie powoduje gwałtowne zwiększenie rezystancji elementu PTC, co powoduje ograniczenie (ale nie całkowite przerwanie) przepływu prądu. Po ostygnięciu bezpiecznika jego rezystancja ponownie spada, choć zwykle nie wraca już do wartości początkowej. W praktyce można też spotkać się z bezpiecznikami automatycznymi (stosowanymi np. w domowych instalacjach sieciowych) oraz… bezpiecznikami elektronicznymi, które – choć także przerywają dopływ prądu w przypadku przekroczenia jego krytycznej wartości – to bazują już wyłącznie na prostym układzie pomiarowym, połączonym z elementem kluczującym (np. tranzystorem). Zaletą bezpiecznika elektronicznego jest jego trwałość (zamiast przepalenia ulega on po prostu kontrolowanemu wyłączeniu), zaś największą wadą – znacznie bardziej skomplikowana budowa i wyższa cena w porównaniu do zwykłych, pasywnych bezpieczników topikowych, a nawet PTC.
