Typy pojistek, konstrukce a princip fungování

Jakýkoli elektrický obvod se skládá z jednotlivých prvků. Každý z nich je charakterizován určitými hodnotami proudu, při kterých je daný prvek provozuschopný. Zvýšení proudu nad tyto hodnoty může způsobit poškození prvku. K tomu dochází v důsledku nepřijatelně vysoké teploty nebo v důsledku poměrně rychlé změny struktury tohoto prvku vlivem proudu. V takových situacích umožňují pojistky různých provedení zabránit poškození prvků elektrických obvodů.

Jejich klasifikace je založena na způsobu, jakým tyto pojistky přerušují elektrický obvod, a proto lze nejpoužívanější typy pojistek uvést následovně:

• tavitelný,
• elektromechanický,
• elektronický,
• samoléčení.

Způsob přerušení elektrického obvodu zahrnuje celou sadu procesů, které probíhají v pojistce při jejím spuštění.

• Pojistky přeruší elektrický obvod roztavením tavné pojistky.
• Elektromechanické pojistky obsahují kontakty, které jsou odpojeny deformovatelným bimetalickým prvkem.
• Elektronické pojistky obsahují elektronický klíč, který je ovládán speciálním elektronickým obvodem.
• Samoobnovovací pojistky se vyrábějí ze speciálních materiálů. Jejich vlastnosti se mění při průchodu proudu, ale obnoví se po poklesu nebo vymizení proudu v elektrickém obvodu. Odpor se tedy nejprve zvýší a poté opět sníží.

Tavitelné

Nejlevnější a nejspolehlivější jsou pojistky. Tavná pojistka, která se po zvýšení proudu nad nastavenou hodnotu roztaví nebo dokonce odpaří, zaručeně vytvoří přerušení elektrického obvodu. Účinnost této metody ochrany je určena především rychlostí procesu zničení pojistky. Za tímto účelem se vyrábí ze speciálních kovů a slitin. Jedná se především o kovy jako zinek, měď, železo a olovo. Protože je tavná pojistka v podstatě vodivé jádro, chová se jako vodič, což charakterizují níže uvedené grafy.

Aby tedy pojistka správně fungovala, teplo uvolňované v pojistkové vložce při jmenovitém zatěžovacím proudu by nemělo vést k jejímu přehřátí a zničení. Teplo se rozptýlí do okolí přes těleso pojistky a zahřívá pojistku, ale bez destruktivních následků pro ni.

Pokud se ale proud zvýší, tepelná bilance se naruší a teplota vložky začne stoupat.

V tomto případě dojde k lavinovitému nárůstu teploty v důsledku nárůstu aktivního odporu pojistkové vložky. V závislosti na rychlosti nárůstu teploty se vložka buď roztaví, nebo se odpaří. Odpařování je usnadněno voltovým obloukem, který může v pojistce vzniknout při významných hodnotách napětí a proudu. Oblouk dočasně nahrazuje zničenou pojistkovou vložku a udržuje proud v elektrickém obvodu. Jeho existence proto určuje i časové charakteristiky rozpojení pojistkové vložky.

• Časově-proudová charakteristika je hlavním parametrem pojistkové vložky, podle kterého se volí pro konkrétní elektrický obvod.

V nouzovém režimu je důležité co nejrychleji přerušit elektrický obvod. K tomuto účelu se používají speciální metody pro pojistkové vložky, jako například:

• lokální zmenšení jeho průměru;
• „metalurgický efekt“.

V principu se jedná o podobné metody, které umožňují tak či onak lokální, rychlejší ohřev vložky. Proměnný průřez s menším průměrem se ohřívá rychleji než s větším průřezem. Pro další urychlení zničení pojistkové vložky se vyrábí kompozitní ze svazku identických vodičů. Jakmile jeden z těchto vodičů shoří, celkový průřez se zmenší a shoří další vodič a tak dále, dokud není celý svazek vodičů zcela zničen.

Metalurgický efekt se využívá u tenkých vložek. Je založen na získání lokální taveniny s vyšším odporem a rozpuštění základního materiálu vložky s nízkým odporem v ní. V důsledku toho se lokální odpor zvyšuje a vložka se taví rychleji. Tavenina se získává z kapek cínu nebo olova, které se nanášejí na měděnou žílu. Tyto metody se používají pro nízkopříkonové pojistky pro proudy až do několika ampérů. Používají se hlavně pro různé domácí elektrospotřebiče a zařízení.

Tvar, velikost a materiál pouzdra se může lišit v závislosti na modelu pojistky. Skleněné pouzdro je výhodné, protože umožňuje vidět stav pojistkové vložky. Keramické pouzdro je však levnější a odolnější. Jiné konstrukční verze jsou přizpůsobeny specifickým úkolům. Některé z nich jsou znázorněny na obrázku níže.

Konvenční elektrické zástrčky jsou založeny na trubkových keramických pouzdrech. Samotná zástrčka je pouzdro, které je speciálně vyrobeno pro pojistkovou vložku pro pohodlné používání. Některé konstrukce zástrček a keramických pojistek jsou vybaveny mechanickým indikátorem stavu pojistkové vložky. Když se spálí, spustí se semaforové zařízení.

Když proud stoupne nad 5 – 10 A, je nutné uhasit elektrický oblouk uvnitř tělesa pojistky. Za tímto účelem se vnitřní prostor kolem pojistkové vložky vyplní křemenným pískem. Oblouk písek rychle zahřeje, čímž se uvolní plyny, které brání dalšímu rozvoji elektrického oblouku.

Navzdory určitým nepříjemnostem způsobeným potřebou rezervních pojistek pro výměnu, stejně jako pomalosti a nedostatečné přesnosti pro některé elektrické obvody, je tento typ pojistky nejspolehlivější ze všech. Spolehlivost provozu je tím vyšší, čím vyšší je rychlost nárůstu proudu, kterým protéká.

Elektromechanické

Pojistky elektromechanické konstrukce se zásadně liší od pojistek obyčejných. Mají mechanické kontakty a mechanické prvky pro jejich ovládání. Protože spolehlivost jakéhokoli zařízení se s jeho složitostí snižuje, existuje u těchto pojistek, alespoň teoreticky, pravděpodobnost takové poruchy, při které nedojde k odpojení nastaveného vypínacího proudu. Vícenásobné vypnutí je významnou výhodou těchto zařízení oproti pojistkám. Mezi nevýhody patří vlastnosti jako:

• Obloukové jiskření při vypínání a postupné ničení kontaktů v důsledku jeho vlivu. Není vyloučeno ani svaření kontaktů mezi sebou.
• Mechanický kontaktní pohon, jehož plná automatizace je nákladná. Z tohoto důvodu musí být opětovné připojení provedeno ručně;
• nedostatečně rychlá reakce, která nemůže zajistit bezpečnost některých „rychle se kazících“ spotřebitelů elektřiny.

Elektromechanická pojistka se často označuje jako „jistič“ a je připojena k elektrickému obvodu buď pomocí základny, nebo pomocí svorek pro vodiče zbavené izolace.

Elektronické

V těchto zařízeních je mechanika zcela nahrazena elektronikou. Mají pouze jednu nevýhodu, která se projevuje v několika ohledech:

• fyzikální vlastnosti polovodičů.

Tento nedostatek se projevuje:

• při nevratném vnitřním poškození elektronického klíče v důsledku abnormálních fyzikálních vlivů (nadměrné napětí, proud, teplota, záření);
• falešné spuštění nebo selhání řídicího obvodu elektronického klíče v důsledku abnormálních fyzikálních vlivů (nadměrná teplota, záření, elektromagnetické záření).

Samoléčení

Blok je vyroben ze speciálního polymerního materiálu a je vybaven elektrodami pro připojení k elektrickému obvodu. Toto je konstrukce tohoto typu pojistky. Odpor materiálu je v daném teplotním rozsahu nízký, ale od určité teploty prudce roste. S ochlazováním odpor opět klesá. Nevýhody:

• závislost odporu na okolní teplotě;
• dlouhá doba zotavení po aktivaci;
• porucha v důsledku nadměrného napětí a selhání z tohoto důvodu.

Správná volba pojistky přináší značné úspory nákladů. Drahé zařízení, které je v případě nehody v elektrickém obvodu okamžitě odpojeno pojistkou, si zachovává svou funkčnost.