Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати
- 3. Наукова новизна
- 4. Дослідження характеристик самовідновлювальних запобіжників
- 4.1 Конструкція і принцип дії
- 4.2 Електричні характеристики
- 4.3 Якісне порівняння традиційних плавких і самовідновлювальних запобіжників
- 4.4 Схема для дослідження
- 5. Комп'ютерне моделювання в програмній середі Femlab 3.0
- Висновки
- Список джерел
Вступ
Сучасні підприємства гірничодобувної, нафтогазової, хімічної, фармацевтичної промисловостей характеризуються наявністю постійної, або з'являється в результаті аварійних ситуацій вибухонебезпечної виробничої атмосфери, обумовленої виділенням горючих газів, парів і токсичних речовин.
За результатами аналізу, виконаного в МакНДІ, на вугільних шахтах України з 1976 по 2008 р відбулося 124 вибуху метану, в результаті яких загинуло понад 800 та травмовано понад 3400 чоловік. При цьому електрострум був джерелом підпалювання в 47,88% випадків, з них 52,54% вибухів сталося при порушенні вибухозахисту вибухобезпечного електроустаткування, а решта вибухи пов'язані з ушкодженнями в кабелях.
1. Актуальність теми
Висока трудомісткість розробки іскробезпечного електроустаткування пов'язана з великою тривалістю експериментальних випробувань, які проводяться за допомогою вибухових камер (ВК) і складають в даний час основу оцінки іскробезпеки електричних кіл в Україні, Росії та інших країнах Європи. Даний метод характеризуються низькою стабільністю результатів, значним обсягом підготовчих процедур, щоб уникнути травматизму при роботі з вибухонебезпечними газами, а також необхідністю наявності готових виробів і макетів.
6-а редакція МЕК 60079-11 (ДСТУ IEC 60079-11: 201) наводить випадки неповного відповідності стандартних іскроутворюючого механізмів для проведення випробувань іскробезпеки (ІБ) джерел живлення з штучним скороченням тривалості розряду (випереджальний
захист) або із захистом, шунтуючей ланцюг на коротке замикання. У практиці були виявлені випадки, коли після випробувань на іскробезпека джерела живлення в агресивному суміші з коефіцієнтом безпеки SFx = 1,5 не забезпечувалася ймовірність займання 1,16*10-6 в нормальних умовах. Це пояснюється тим, що джерела живлення з динамічною іскрозахисту допускають вимкнений стан в період найбільш небезпечних умов випробувальних іскрінь із застосуванням зазначеного іскроутворюючого механізму.
Захист електричних ланцюгів обчислювальної техніки від перевантажень в даний час є актуальною науково-практичною задачею, оскільки ймовірність їх безвідмовної роботи суттєво впливає на якість виконуваних робіт.
Для електричних ланцюгів існує кілька типів захисних пристроїв [1]:
- Плавкі запобіжники;
- Біметалічні запобіжники;
- Керамічні резистори;
- Самовідтворювані запобіжники (СВЗ).
Будь-який складний електронний прилад не може обійтися без такої найпростішої деталі, як запобіжник, який є одним з поширених пристроїв захисту від перевантаження по струму. Його основним недоліком є те, що після перегорання він повинен бути замінений, що призводить до необхідності розбирання пристрою або розміщення запобіжника в доступному місці.
Останнім часом все більшу увагу розробників електронної апаратури залучають самовідтворюваними запобіжники на основі провідних полімерних матеріалів, що виготовляються з полімер-ної композиції (полиолефини й сополімери) і наповнювача з вуглецевих наночастинок, розмірами порядку 30 нм. Перколяційного провідність такої системи визначається провідними ланцюжками вуглецю, розташованими в аморфній області полімеру між кристаллитами. При розігріві (при перевищенні порогового струму) до 120-125 oС відбувається фазовий перехід в полімері, що призводить до розриву проводять ланцюгів і різкого збільшення опору до 6 порядків - розмиканню ланцюга. Потім, охолоджуючись, запобіжник перемикається в початковий стан - самовідновлюється [2].
У даній роботі мова піде про самовідновлювальні запобіжники.
СВЗ являють собою полімерні терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом. У ряді програм вони стають гарною заміною стандартним плавким запобіжникам.
Для довгої і надійної роботи електронних кіл необхідно забезпечити їх захист від перевантажень по струму і напрузі. Традиційним способом захисту від перевантаження по струму є використання плавких або самовідновлювальних запобіжників. Самовідтворювальні запобіжники - це терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом. Головною особливістю самовідновлювальних запобіжників є різке стрибкоподібне зміна опору при розігріві. Саме ця властивість використовується для захисту від перевантажень по струму. При збільшенні струму вище рівня спрацьовування, СВЗ розігрівається і розмикає ланцюг [3].
Самовідтворювані запобіжники випускаються як у звичайних корпусах для монтажу в отвори (технологія THT), так і для поверхневого (технологія SMT) (рис. 1.1). СП для монтажу в отвори зовні виглядають як варистори і мають або дисковий корпус, або прямокутний [4].
Рисунок 1.1 - Самовідновлювальний запобіжник для монтажу в отвори і поверхневого монтажу
СВЗ для поверхневого монтажу схожі на SMD резистори (рис. 1.2), але можуть мати й інший корпус (як правило, у вигляді пластинки з стрічковими виводами).
Рисунок 1.2 - Самовідновлювальний запобіжник типу SMD
Прикладом застосування самовідновлювального запобіжника може бути використання його в різних блоках харчування. У них самовідновлювальний запобіжник використовується спільно з іншими елементами захисту. Спрацювання захисту не тягне за собою необоротне перегорання запобіжника, і пристрій починає працювати відразу ж після усунення несправності або короткого замикання в робочій схемі (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 - Застосування самовідновлювальних запобіжників в блоках живлення
Самовідтворювані запобіжники випускають такі фірми, як Bourns і Fuzetec.
2. Мета і завдання дослідження
Метою даної роботи є вивчення самовідновлювальних запобіжників, їх конструкції, теплових характеристик і принципу дії.
Основні завдання дослідження:
1. Вивчення часу і умов нагріву СВЗ.
2. Застосування самовідновлювальних запобіжників в слабкострумових ланцюгах.
3. Вивчення умов спрацьовування СВЗ.
4. Комп'ютерне моделювання самовідновлювальних запобіжників.
3. Наукова новизна
Теоретична цінність:
- Встановлення залежності безпечних параметрів нагрівальних елементів вибухобезпечного обладнання від аварійних режимів;
- Визначення температури, при якій змінюється провідність самовідновлювальних запобіжників.
Практична цінність:
- Виготовлення дослідного стенду та випробування самовідновлювального запобіжника на струм 0,5 А;
- Розрахунок іскробезпечних параметрів схеми медіаконвертера відеокамери системи моніторингу вертикальних стволів гірничодобувних підприємств.
4. Дослідження характеристик самовідновлювальних запобіжників
4.1 Конструкція і принцип дії
Існує кілька основних компаній, які виробляють CВЗ. Кожна з них запатентувала і використовує свою марку: Polyfuse (Littelfuse), PolySwitch (TE Connectivity), Semifuse (ATC Semitec), Fuzetec (Fuzetec Technology), Multifuse (Bourns). Незважаючи на відмінності в назві, усі CВЗ мають однаковий принцип роботи і схожу структуру.
Самовідновлювальний запобіжник виготовляється зі спеціального пластику. Цей пластик - речовина особлива. Він складається з непровідного кристалічного полімеру і введеними в нього найдрібнішими частинками технічного вуглецю (рис. 4.1). Частинки технічного вуглецю розподілені в об'ємі полімеру і вільно проводять електричний струм.
Рисунок 4.1 - Структура самовідновального запобіжника
При низьких температурах полімер має переважно кристалічну будову. Однак монокристалічна структура не утворюється. Це означає, що між окремими кристалічними ділянками виявляються незаповнені простору. У процесі виготовлення в ці простори впроваджують провідний елемент - графіт.
Завдяки графітовим каналах в нерозігрітім стані СВЗ є провідником з низьким власним опором.
Сам пластик формують у тонкий лист і на площині напилюють струмоведучі електроди. За рахунок електродів вдається розподілити енергію по всій площі поверхні. До електродів кріплять пелюсткові або дротові висновки, за рахунок яких СВЗ підключають в електричний ланцюг.
Основна особливість проводить пластика - це високий нелінійний позитивний температурний коефіцієнт опору (ТКС). При розігріві вище певної температури переходу (зазвичай температура переходу близько 125 °C), молекули полімеру отримують додаткову енергію, і кристалічна структура починає трансформуватися в аморфну. Цей процес супроводжується механічним розширенням. Полімер витісняє графіт. В результаті графітові канали розриваються, опір різко збільшується, а самовідновлюється запобіжник переходить в непроводящее стан (рис. 4.2). Пластик проводить струм до тих пір, поки його температура не перевищить певний поріг.
Рисунок 4.2 - Залежність опору СВЗ від температури
Після цього опір проводить пластику різко збільшується, що і призводить до розриву електричного кола. Це відбувається тому, що при перевищенні температурного порога кристалічна структура полімеру трансформується в аморфну, а ланцюжки технічного вуглецю, по яких і проходив струм, руйнуються. Це призводить до різкого збільшення опору.
Звідки ж з'являється нагрів, який призводить до зміни фазового стану полімеру? Підвищення температури полімеру відбувається тому, що при аварійному режимі через самовідновлюється запобіжник починає текти струм, який перевищує номінальний. При цьому за рахунок теплового дії струму температура матеріалу запобіжника збільшується. Це в свою чергу призводить до спрацьовування
запобіжника [5].
Число переходів від проводить стану до непровідного і назад виявляється практично необмеженим. Це означає, що за відсутності катастрофічних факторів СВЗ є вічним запобіжником.
При використанні СВЗ в якості струмообмежувача важливим виявляється його властивість саморазігріва. У нормальному стані самовідновлювальний запобіжник знаходиться в провідному стані. При протіканні струму він, як і всі елементи, розсіює потужність Pd = I2R, де R - власний опір запобіжника. Величина цього опору може бути обчислена за формулою:Rt=U2/Pd. Після відключення живлення (відключення навантаження, зменшення напруги і т. Д.) Після закінчення деякого часу знову зменшує своє внутрішній опір - самовідновлюється. Збільшення опору супроводжується нагріванням запобіжника приблизно до 80 градусів за Цельсієм [6].
Якщо струм досить малий, то мала й потужність розсіювання. У цьому випадку перегрів компонента виявляється незначним, і великого зростання опору через саморазігріва не відбувається.
Однак якщо струм має велике значення, то відбувається значне виділення тепла. Якщо температура перевищить температуру переходу - СВЗ перейде в непроводячий стан і електричний ланцюг виявиться розімкнутим. У цьому і полягає суть використання самовідновлювання запобіжника як елемент захисту від перевантажень по струму. Якщо аварійний стан усунуто, то запобіжник остигає і відновлює провідні властивості.
4.2 Електричні характеристики
Для того щоб грамотно підібрати самовідновальний запобіжник для конкретного пристрою потрібно знати його основні параметри. Розглянемо їх.
спрацьовування.
спрацьовує- розмикає ланцюг.
Насправді це дуже важливий параметр. Чим він менший, тим краще, так як запобіжник завжди включається послідовно зі споживачем струму (перед навантаженням). А, як відомо, на опорі втрачається потужність. Для приладів, що живляться від автономних джерел живлення (акумуляторів, батарейок) краще підбирати СВЗ з малим опором у робочому стані.
замикання, або по-іншому, спрацьовування зазвичай становить від +125°C і вище.
У більшості випадків струмові характеристики виявляються основними при виборі запобіжника.
Рисунок 4.3 - Температурна залежність струму спрацьовування від температури
Незважаючи на те, що традиційні плавкі запобіжники мають безліч переваг, СВЗ є незамінними в безлічі додатків.
4.3 Якісне порівняння традиційних плавких запобіжників і самовідновлювальних запобіжників
У більшості випадків вибір між звичайними плавкими запобіжниками і СВЗ робиться виходячи з вимог конкретного застосування. Переваги та недоліки кожного з рішень визначаються принципом роботи цих захисних елементів (табл. 4.1)
Таблиця 4.1 - Якісне порівняння плавких запобіжників і СВЗ
| Параметр | Плавкий запобіжник | Самовідновлювальний запобіжник |
|---|---|---|
| Число використань | Одноразове | Багаторазове |
| Витрати на обслуговування | Заміна при кожному спрацьовуванні | Відсутні |
| Якість обмеження | Повний розрив ланцюга | Є струми витоку |
| Струми витоку, мА | Відсутні | До сотень |
| Мінімальний рівень струму спрацьовування | Одиниці А | Сотні мА |
| Максимальний рівень струму спрацьовування, А | Тисячі | Десятки |
| Максимальна напруга, В | Типове: до 600 | Типове: до 60 |
| Максимальна робоча температура,°С | 125 | 85 |
| Температурна залежність струму спрацьовування | Слаба | Сильна |
| Величина опору в проводячему стані, мОм | Десятки | Сотні |
| Час спрацьовування, мс | Десятки | Десятки |
Плавкий запобіжник являє собою металевий провідник (або дріт), який плавиться при виникненні перевантаження по струму. При цьому для відновлення провідного ланцюга необхідно замінити запобіжник. У підсумку, для експлуатації обладнання потрібно обслуговуючий персонал, що в більшості випадків вкрай небажано. СВЗ вільні від цього недоліку.
З іншого боку, СВЗ не здатні повністю розірвати електричний ланцюг. Вони мають кінцеве значення опору. Це призводить до наявності струмів витоку. Для багатьох додатків це може бути неприйнятно. Плавкі запобіжники повністю розривають ланцюг.
У загальному випадку, плавкі запобіжники використовуються для більш потужних ланцюгів. Типові значення струмів спрацьовування для них починаються від одиниць А. СВЗ підходять для малопотужних приладів, які необхідно захищати від перевантажень, починаючи від сотень міліампер.
Верхня межа струмів для плавких запобіжників значно перевищує можливості СВП і становить тисячі ампер.
Обмеження величини потужності захищаються ланцюгів відбувається і за рахунок власного опору запобіжників в провідному стані. Плавкі запобіжники мають опір в кілька разів менше, ніж у СВЗ.
Ще однією перевагою плавких запобіжників є менша залежність від температури навколишнього середовища (рис. 4.3).
Діапазон робочих температур у СВЗ більш вузький. Вони мають максимальну робочу температуру 85°С, в той час як звичайні запобіжники можуть працювати при 125°С.
Важливим параметром при виборі типу захисного елемента є максимальна робоча напруга. У СВЗ типовим є напругу до 60 В. Для плавких запобіжників типове напруга досягає сотень вольт.
Сучасна портативна електроніка накладає обмеження на габарити використовуваних компонентів. СВЗ для поверхневого монтажу виконуються в мініатюрних корпусах, в тому числі - 0402. Це робить їх незамінними в ноутбуках, стільникових телефонах і інших гаджетах[7].
Підводячи підсумок наведеним міркуванням, можна стверджувати, що обидва типи запобіжників мають як переваги, так і недоліки. Вибір між ними можна зробити тільки з урахуванням особливостей конкретного застосування.
СВЗ будуть кращі в цілому ряді випадків:
4.4 Схема для дослідження
У даній роботі за основу для дослідження взят самовідновлювальний запобіжник FSMD050-2920 з номінальними характеристиками, представленими в табл. 4.2[8].
Таблиця 4.2 - Номінальні характеристики для самовідновлювальних запобіжників
| Модель | I, A | IT, A | IMAX, A | UMAX, B DC | Pd, Вт | TT,°С (при токе 8А) | RMIN, Ом | R1MAX, Ом |
| FSMD014 | 0,14 | 0,3 | 60 | 10 | 0,8 | <0,02 | 1,5 | 6,5 |
| FSMD020 | 0,2 | 0,4 | 30 | 10 | 0,8 | 0,02 | 0,8 | 5 |
| FSMD035 | 0,35 | 0,7 | 16 | 40 | 0,8 | 0,1 | 0,32 | 1,5 |
| FSMD050 | 0,5 | 1 | 16 | 40 | 0,8 | 0,15 | 0,15 | 1 |
| FSMD075 | 0,75 | 1,5 | 16 | 40 | 0,8 | 0,02 | 0,11 | 0,45 |
| FSMD110 | 1,1 | 2,2 | 6 | 40 | 0,8 | 0,3 | 0,04 | 0,21 |
| FSMD160 | 1,6 | 3,2 | 6 | 40 | 0,8 | <0,5 | 0,03 | 0,1 |
Габаритні розміри (рис. 4.4) самовідновлювальних запобіжників представлені в табл. 4.3.
Рисунок 4.4 - Габаритні розміри самовідновлювальних запобіжників
Таблиця 4.3 - Габаритні розміри самовідновлювальних запобіжників
| Модель | А | B | C | D | ||||
| мін.,мм | макс.,мм | мін.,мм | макс.,мм | мін.,мм | макс.,мм | мін.,мм | макс.,мм | FSMD014 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,7 | 1 | 0,3 | 0,6 |
| FSMD020 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,4 | 0,7 | 0,3 | 0,6 |
| FSMD035 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,4 | 0,7 | 0,3 | 0,6 |
| FSMD050 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,4 | 0,7 | 0,3 | 0,6 |
| FSMD075 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,4 | 0,7 | 0,3 | 0,6 |
| FSMD110 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,4 | 0,7 | 0,3 | 0,6 |
| FSMD160 | 4,37 | 4,73 | 3,07 | 3,41 | 0,4 | 0,7 | 0,3 | 0,6 |
Для дослідження характеристик самовідновлювальних запобіжника був створений стенд, схема якого зображена на рис. 4.5. Були досліджені різні теплові характеристики запобіжника.
Експеримент проводиться таким чином: натискаємо кнопку SB1, встановлюємо значення струму 0,6 А і включаємо секундомір в режим «Автомат». При ненульових показаннях секундоміра проводиться скидання однойменною кнопкою. При натисканні на кнопку SB1 секундомір почне відлік часу і зупиниться при спрацьовуванні запобіжника. Записуємо показання секундоміра і потім обнуляємо індикатори кнопкою «Скидання». Результати заносимо в таблицю 4.4. Будуємо за результатами дослідження часострумову характеристику (рис. 4.6). Після вимірювань вимикаємо стенд і повертаємо ручку ЛАТРа до упору проти годинникової стрілки.
Рисунок 4.5 - Схема для дослідження тепловых характеристик самовідновлювального запобіжника
Були проведені дослідження для того, щоб дізнатися час відключення СВЗ при різному навантаженні шляхом регулювання напруги ЛАТРом. Результати досліджень представлені в табл. 4.4.
Таблиця 4.4 - Результати досліджень
| I, A | U, B | T,°С | t, c | R, Ом |
| 0,7 | 20 | 47 | 20 | 2 |
| 1 | 30 | 70 | 10 | 1,7 |
| 1,3 | 40 | 72 | 5 | 1,04 |
| 1,66 | 50 | 74 | 2 | 0,67 |
| 2,5 | 60 | 74 | 0,8 | 0,3 |
Виходячи з цього, можна сказати, що при збільшенні навантаження зменшується час спрацьовування і опір СВЗ (рис. 4.6 та рис. 4.7). За результатами дослідів було виявлено, що самовідновлювальний запобіжник при різних навантаженнях нагрівається до температури 74°С і після цього спрацьовує.
Рисунок 4.6 - Залежність часу спрацьовування СВЗ від струму навантаження
Рисунок 4.7 - Залежність опору СВЗ від струму навантаження
5. Комп'ютерне моделювання в програмній середі Femlab 3.0
5Досліджуваний самовідновлювальний запобіжник має наступні габарити: довжина - 7,7 мм, ширина - 5,1 мм, висота - 0,9 мм, довжина контактної площадки - 1 мм. Для розрахунку електричних характеристик необхідно розподіл температури в СВЗ. З цією метою було проведено рішення рівнянь теплопровідності в комп'ютерному середовищі Femlab 3.0[9].
Детальне рішення рівнянь теплопровідності описано в [10].
Результати роботи представлені в якості анімації(рис. 5.1).
Рисунок 5.1 – Результати моделювання
(анімація: 4 кадри, 8 циклів повторення, 151 килобайт)
Висновки
Дана магістерська робота виконується для дослідження характеристик самовідновлювальних запобіжників.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Список джерел
- УДК 678:51.73 Домкин К. И., Недорезов В. Г. Разработка самовосстанавливающихся предохранителей для защиты электрических цепей вычислительной техники, c. 90-95 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-samovosstanavlivayuschihsya-predohraniteley-dlya-zaschity-elektricheskih-tsepey-vychislitelnoy-tehniki
- Домкин К.И., Каминская Т.П., Миронова Н.Д. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/elektricheskie-harakteristiki-samovosstanavlivayuschihsya-predohraniteley
- Гавриков В. Самовосстанавливающиеся PTC-предохранители для защиты от токовых перегрузок [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.compel.ru/lib/ne/2014/12/4-samovosstanavlivayushhiesya-ptc-predohraniteli-dlya-zashhityi-ot-tokovyih-peregruzok/
- [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.junradio.com/index/gerkon_predokhranitel_i_kvarc/0-85
- Лунаев А. Самовосстанавливающийся электронный предохранитель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.radioradar.net/radiofan/miscellaneous/electronic_safety_lock.html
- Самовосстанавливающийся предохранитель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%E0%EC%EE%E2%EE%F1%F1%F2%E0%ED%E0%E2%EB%E8%E2%E0%FE%F9%E8%E9%F1%FF_%EF%F0%E5%E4%EE%F5%F0%E0%ED%E8%F2%E5%EB%FC
- Самовосстанавливающиеся предохранители MULTIFUSE фирмы BOURNS [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.diagram.com.ua/list/sprav/sprav199.shtml
- Серия FSMD (1812) — самовосстанавливающиеся предохранители Fuzetec [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://electronica.bashel.ru/PDF/1806/FSMD.pdf
- Шут В.Н., Гаврилов А.В., Ильющенко Д.А., Буйнов Н.С. Теплофизические характеристики терморезисторных блоков защиты линий электронной связи [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lib.vsu.by/xmlui/handle/123456789/4939
- Горбунов В.А. Моделирование теплообмена в конечно-элементном пакете FEMLAB: Учеб. пособие / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008.–216 с. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ispu.ru/files/ispu_pubs/Gorbunov_V.A._Modelirovanie_teploobmena_v_FEMLAB_COMCOL.pdf