Zekeringen, hoe een kleine knal een grote knal kan voorkomen
Een elektrisch onderdeel dat we bewust laten exploderen, noemen we ook wel smeltzekering. In onze hobby gebruiken we dit onderdeel om andere onderdelen van een apparaat te beschermen. Smeltzekeringen zijn er in vele soorten en maten. Het gebruik van de juiste zekering is dan ook belangrijk. Dit geldt zowel voor eigen ontworpen apparatuur als voor koopapparatuur. De technologie rondom zekeringen kan als complex worden beschouwd en het is dan ook raadzaam om de handboeken van de fabrikanten te raadplegen.
Dit artikel stelt een paar gedachten rondom zekeringen op en vertelt waarom het niet zomaar om een 'draadje' gaat.
Wat verstaan we onder zekering? Een zekering is een gemakkelijk te vervangen component, welke, al dan niet door zelfvernietiging, voorkomt dat een apparaat, circuit of schakeling overbelast wordt en daardoor ernstig beschadigd wordt. Ook dient de zekering de spanning- en/of stroombron te beschermen.
Zekeringen zijn er in soorten en ma-ten. Naast de smeltzekering worden er ook schakelingen en andere componenten gebruikt. Om het artikel niet te complex te maken, beperk ik me bier tot de smeltzekering.
Een zekering is in wezen niet meer dan een draad, dat zich door middel van een explosie opblaast bij overbelasting. Omdat deze manier nogal wat schade kan veroorzaken, zijn zekeringen dan ook ondergebracht in een behuizing.
Vaak is de behuizing van glas of keramisch materiaal gemaakt. Afhankelijk van het formaat en de toepassing van de zekering, wordt de binnenruimte veelal opgevuld met zand, stikstof of een ander daarvoor geschikte stof of gas. Ook de behuizing kennen we in verschillende vormen. In grote installaties en spanningsverdelingen zien we vaak meszekeringen, in verdeelkasten en huisinstallaties treffen we meestal patroonzekeringen aan, terwijl we op apparaatniveau vaak steekof buiszekeringen tegenkomen.
Alleen al het voorkomen van al die uiterlijke eigenschappen en formaten levert al een groot aanbod aan zekeringen op!
Wat doet een zekering opblazen?
Te hoge spanning, te grote stroom of oververhitting? Omdat de zekering smelt is de laatste keus het enige correcte antwoord. De oververhitting ontstaat doordat het element een kleine weerstand heeft. Omdat het energieverlies in de weerstand omgezet wordt in warmte, kunnen we zeggen dat dit gelijk is aan het kwadraat van de stroom maal de weerstand.
Als we aannemen dat de weerstand (minimaal) gelijk blijft zal dus de warmteontwikkeling kwadratisch met de stroom toenemen. Op het moment dat er voldoende hitte ontwikkeld is, zal de zekering smelten. Het is bij het ontwerpen van een apparaat essentieel, dat deze situatie zich eerder in de zekering voordoet dan in het apparaat, bijvoorbeeld bij printsporen.
De snelheid waarin dit proces gebeurt, is dus heel belangrijk. Tijd is bier, naast stroom en weerstand, dus een zeer belangrijke factor.
Over het algemeen is het element gemaakt van een zilveren strook of draad. Omdat op het moment van smelten niet direct de stroom stopt, wordt er een vlamboog gevormd en zal de stroom blijven stromen totdat deze vlamboog gedoofd is. De totaal benodigde 'onderbrekingstijd' is dan ook de som van de tijd die nodig is het element te laten smelten en de tijd die nodig is om de vlamboog te doyen. Wanner er zand of een andere stof gebruikt wordt, doet men dit om de hitte van de vlamboog te absorberen en op deze manier de vlamboog snel en gecontroleerd te laten cloven.
Een zwart uitgeslagen glaszekering wijst erop, dat er ionisatie is opgetreden in de buis als gevolg van een Lange en zeer bete vlamboog. Gedurende de vlamboog bleef in zo'n geval de stroom lopen en de zekering slaagde er niet in tijdig de stroom te stoppen. Zo'n zwarting zal niet mogen voorkomen, indien de zekering correct gekozen is.
Soorten zekeringen
De specifieke eigenschappen van een zekering worden bepaald door stroom, voltage, bedrijfstijd en de "vertraging".
De classificaties lopen uiteen van een paar milliamperes tot aan vele duizenden amperes, terwijl de voltageclassificaties van 32 tot 600 V voor gebruikelijke types tot honderdduizenden Volt voor speciale industriele types gaan.
De classificatie van spanning hangt of van het voltage over de zekering na de onderbreking. Zorg er dus altijd voor, dat een zekering door een correct type wordt vervangen. Dus geen hoogspanningzekering door een 32 volttype.
De meeste hoogwaardige fabrikanten stempelen de spanning, stroom, en de vertragingsclassificaties op een van metaal-uiteinden. Andere fabrikanten gebruiken een andere plaats, bijvoorbeeld op het porselein.
Om de zaak nog wat lastiger te maken zijn er drie belangrijke normen (standaarden) voor kleine zekeringen:
- De Amerikaanse UL (Underwriters' Laboratory)
- IEC
- CEE
De laatste twee standaarden worden veelal in Europa en Azie gebruikt. Omdat de normen op detail verschillen, is het verstandig om altijd, indien mogelijk, bij uitval de zekering te vervangen door een exemplaar van het originele type.
De zekeringen moeten de hoogste optredende stroom veilig kunnen onderbreken, welke bij de geschatte spanning aanwezig zou kunnen zijn.
Dit lijkt een eenvoudige zaak, maar is echter complexer dan we op het eerste gezicht zouden denken.
Daarom eerst maar een kleine voorbeeld rekensom:
De impedantie van een standaard 230 volt AC zekeringaansluiting zal ongeveer 0,1 Ω zijn.
Omdat de piekspanning 230 × 1.414 = 325 V is, kan er (325 V over 0,1 Ω) 3250 ampere lopen. Hoewel dit vaak erg kort zal zijn, is het wel de maximale stroom die er kan lopen! Immers we zijn energie, I2 × T, nodig. T zal dus enige grootte moeten hebben om de stroom energie in de zekering te kunnen laten verliezen.
Hier blijkt dat de factor tijd een heel grote rol speelt.
Zekeringen kunnen we indelen in een tweetal breukcapaciteiten: HRC (hoge breukcapaciteit) en LBC (lage breukcapaciteit). Kleine zekeringen zijn hier geen uitzondering op.
Sommige versies HRC kunnen een stroom van zelfs 10.000 A aan, terwijl bij LBC dit ongeveer op maximaal 10 keer de nominale stroom mag worden geschat. De nauwkeurige specificaties varieren met de productienorm.
Een 2 A LBC type zal namelijk niet meer dan 20 A veilig onderbreken. Oppervlakkig: de zekeringen van het type HRC en LBC lijken op elkaar, maar er MOET duidelijk het type HRC worden gebruikt als de stroombron niet begrenst is, zoals bij directe voeding uit het lichtnet.
De smeltsnelheid is belangrijk
Uit bovenstaande mag blijken, dat de smeltsnelheid van wezenlijk belang is en o.a. van de aard van de vereiste bescherming afhangt. Immers een apparaat met een hoge inschakelstroom stelt andere eisen, dan een apparaat dat dit niet heeft.
Transistoren en thyristors blazen zich zeer snel op bij overschrijding van de toelaatbare stroom en vereisen dus een zekering die nog sneller is. De snelste types kunnen binnen de helft van een cyclus van de netfrequentie handelen.
Anderzijds, motoren, transformatoren en de kringen van de condensatorinput hebben zware aanloopstromen en vereisen de bescherming van een langzame zekering.
Zo kan de aanloopstroom van een inductiemotor drie tot acht keer de geschatte bedrijfsstroom zijn.
Het plaatsen van klodder-soldeersel (blob) in het centrum van het zilveren zekeringselement verbetert de thermische capaciteit voldoende van het element om korte beginnende overbelasting te weerstaan, maar bij een aanhoudende overbelasting smelt het soldeersel en lost het zilver op.
Zeer trage zekeringen met twee "blob 's".
In de snelste zekeringen gebruikt men soms een speciaal gevormd element, dat doordat de hitte op een plek wordt geconcentreerd zeer snel smelt.
De verschillende toepassingen vereisen dus verschillende zekeringskenmerken. Bestudering van de grafieken met eigenschappen, opgesteld door de fabrikanten, openbaart een verrassende verscheidenheid aan beschikbare zekeringen, welke bij de eerste blik eerst gelijkwaardig lijken.
Over het algemeen, de snelste zekering, type FF (super snel) is geschikt voor thyristor kringen, terwijl de standaard snelle zekering type F is.
Het type M heeft een middelgrote smelttijd en kan kleine schommelingen verwerken, terwijl het type T de standaard langzame zekering is.
Het type TT is een zeer langzame zekering.
Als geen speciale vermelding wordt getoond, zoals 2A/250V, kan worden verondersteld dat het om een normaal snel type gaat. (Hier is het dus duidelijk oppassen geblazen!)
Als er geen voltageclassificatie wordt getoond bij een plaatselijk gekochte zekering, kan worden verondersteld een classificatie van 250V te hebben. Als, zoals hierboven vermeld, zekeringen zonder een duidelijke snelheidsclassificatie, een kleine lengte of soldeerselklodder op de draad hebben, dan hebben we te maken met een langzaam type.
Maar het blijft gissen en men is beter of door een zekering te kopen, welke wel duidelijk gemerkt is.
Zekeringhouders
Ook zekeringhouders moeten geschikt zijn voor het doel, waarvoor ze gebruikt worden. Ongewenste weerstand in de houder en een hoge stroom kan leiden tot hoge temparaturen en tot verlies van de klem, met alle gevolgen van dien.
Wanner er een stroom over de zekering loopt, zal de weerstand ervan ervoor zorgen, dat er dan hitte geproduceerd wordt op de plek waar de zekering geplaatst is.
Het zekeringselement, dat in glaszekeringen wordt gebruikt, heeft normaliter een positieve temperatuurcoefficient. Hierdoor is het noodzakelijk dat het apparaat de daaruit voortvloeiende temperatuurstijging kan verwerken. Het betekent ook, dat een zekering aan thermische moeheid kan lijden en eenvoudig aan ouderdom kan 'steryen', zonder dat het een materiaalfout betreft.
Op dezelfde manier als de zekeringen, hebben de zekeringhouders ook een "ampere-kwadraat-seconden" classificatie. Deze geeft de hoeveel energie aan, die de zekering(houder) kan doorstaan en hoeveel spanning op de kring veer de zekering kan worden geplaatst.
Thermische zekeringen
Evenals zekeringen, die ontworpen worden om tegen bovenmatige stroom te beschermen, zijn er ook de thermische zekeringen om tegen bovenmatige hitte te beschermen. Deze zekeringen kunnen worden gevonden in o.a. ventilator-verwarmers, haar-drogers, koffiezetapparaten, broodroosters, enz. en zijn ontworpen om bij een vooraf ingestelde temperatuur de stroom te onderbreken.
De vervanging van deze elementen moet altijd door een met identieke classificatie zijn en het moet ook correct worden geplaatst om de hitte op de juiste manier en plaats te ontdekken.
Net als bij glaszekeringen, zij lijken allemaal gelijk, maar hebben totaal verschillende kenmerken.
Een foutief ingeschatte thermische zekering kan een ernstige brand veroorzaken.
De grotere transformatoren hebben vaak ook een thermische zekering, welke in de primaire windingen wordt opgenomen om zo de trafo tegen bovenmatige temperatuurstijging te beschermen als gevolg van langdurige overbelasting.
Gewoonlijk is er geen economische manier om deze smeltbare verbinding te vervangen.
Tot slot
Zekeringen, welke volgens de UL, IEC of CEE normen zijn vervaardigd, tonen de toegelaten spanning, stroom en de vertragingstijd. Ook de fabrikantennaam of het handelsmerk is vermeld.
Indien dit niet is vermeld, dan kan men eigenlijk alleen maar raden naar de kwaliteit van deze naamloze zekeringen, die men hier en daar kan kopen.
Voor het kiezen van de juiste zekering komt heel wat kijken. Daarnaast beschermt een zekering een apparaat lang niet tegen alle fouten.
Naast zekeringen gebruiken ontwerpers ook andere technieken, welke de stroom, spanning en/of temperatuur bewaken en deze zo nodig beperken of afschakelen en zo verdere schade trachten te voorkomen.
Dit artikel is niet bedoeld om een uitvoerige verhandeling over zekeringen te zijn.
Als dit artikel er toe leidt, dat u eerst tweemaal nadenkt voordat u een zekering door "zomaar" een zekering vervangt, dan heeft het haar doel bereikt.
Zekeringen, volgens een van de normen gefabriceerd, kosten vaak net ietsjes meer dan het bulkgoed.
Bedenk wel, dat dit wel het verschil kan uitmaken tussen behoud van uw dure apparaat of het ervan in rook opgegaan.
Het artikel is gebaseerd op een soortgelijk artikel van Clive Wallis VK6 CSW in Radio-Amateur october 2005, het clubblad van het Wireless Institute of Australia.
Johan, PA3AIN.