Как работают автоматические выключатели

Автоматический выключатель является абсолютно необходимым устройством в современном мире и одним из самых важных механизмов безопасности в вашем доме. Всякий раз, когда через электрическую проводку в здании протекает слишком большой ток, эти простые машины отключают питание до тех пор, пока кто-нибудь не устранит проблему. Без автоматических выключателей (или, в качестве альтернативы, предохранителей ), бытовое электричество было бы непрактичным из-за возможности пожаров и других беспорядков, возникающих в результате простых проблем с проводкой и отказов оборудования.

В этой статье мы узнаем, как автоматические выключатели и предохранители контролируют электрический ток и как они отключают питание, когда уровень тока становится слишком высоким. Как мы увидим, автоматический выключатель — невероятно простое решение потенциально смертельной проблемы.

Чтобы понять автоматические выключатели, полезно знать, как работает домашнее электричество.

Электричество определяется тремя основными атрибутами:

Напряжение — это «давление», которое заставляет двигаться электрический заряд. Ток — это «поток» заряда — скорость, с которой заряд движется по проводнику, измеренная в любой конкретной точке. Проводник оказывает определенное сопротивление этому потоку, которое зависит от состава и размера проводника.

Напряжение, ток и сопротивление взаимосвязаны — вы не можете изменить одно, не изменив другое. Ток равен напряжению, деленному на сопротивление (обычно записывается как I = v / r ). Это интуитивно понятно: если вы увеличите давление, воздействующее на электрический заряд, или уменьшите сопротивление, больше заряда будет течь. Если вы уменьшите давление или увеличите сопротивление, будет течь меньше заряда. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с Как работает электричество .

Так как же все это сочетается в вашем доме? Давай выясним.

1. Автоматический выключатель: на работе в вашем доме
2. Конструкция выключателя: базовая
3. Конструкция выключателя: продвинутая

Распределительная сеть поставляет электроэнергию от электростанции в ваш дом. Внутри вашего дома электрический заряд движется по большой цепи, состоящей из множества меньших цепей. Один конец цепи, горячий провод , ведет к электростанции. Другой конец, называемый нейтральным проводом , ведет к земле . Поскольку горячий провод соединяется с источником высокой энергии, а нейтральный провод соединяется с электрически нейтральным источником (землей), в цепи присутствует напряжение — заряд перемещается всякий раз, когда цепь замыкается. Ток называется переменным током , потому что он быстро меняет направление. (Дополнительную информацию см . в разделе «Как работают сети распределения электроэнергии» .)

Распределительная сеть подает электроэнергию при постоянном напряжении (120 и 240 вольт в США), но сопротивление (и, следовательно, сила тока) меняется в доме. Все различные лампочки и электроприборы имеют определенное сопротивление, также называемое нагрузкой . Именно это сопротивление заставляет прибор работать. Например, лампочка имеет внутри нить накала, которая очень устойчива к текущему заряду. Заряду приходится прилагать большие усилия, чтобы двигаться вперед, что нагревает нить накала, заставляя ее светиться.

В электропроводке здания горячий провод и нейтральный провод никогда не соприкасаются напрямую. Заряд, проходящий через цепь, всегда проходит через прибор, который действует как резистор. Таким образом, электрическое сопротивление в приборах ограничивает количество заряда, которое может пройти по цепи (при постоянном напряжении и постоянном сопротивлении ток также должен быть постоянным). Приборы предназначены для поддержания тока на относительно низком уровне в целях безопасности. Слишком большой заряд, проходящий через цепь в определенное время, может нагреть провода прибора и проводку здания до небезопасного уровня, что может привести к пожару.

Это обеспечивает бесперебойную работу электрической системы большую часть времени. Но иногда что-то будет соединять горячий провод непосредственно с нейтральным проводом или чем-то еще, ведущим к земле. Например, двигатель вентилятора может перегреться и расплавиться, сплавив горячий и нейтральный провода. Или кто-то может вбить гвоздь в стену , случайно проткнув одну из линий электропередач. Когда горячий провод подключен непосредственно к земле, сопротивление в цепи минимально, поэтому напряжение пропускает через провод огромное количество заряда. Если это будет продолжаться, провода могут перегреться и стать причиной возгорания.

Работа автоматического выключателя заключается в том, чтобы отключить цепь всякий раз, когда ток превышает безопасный уровень. В следующих разделах мы узнаем, как это делается.

Простейшим устройством защиты цепи является предохранитель . Предохранитель — это просто тонкий провод, заключенный в кожух, который втыкается в цепь. Когда цепь замкнута, весь заряд проходит через провод предохранителя — на предохранитель действует такой же ток, как и на любую другую точку цепи. Предохранитель срабатывает при нагревании выше определенного уровня — если ток становится слишком большим, он сжигает провод. Уничтожение предохранителя размыкает цепь до того, как избыточный ток может повредить проводку здания.

Проблема с предохранителями в том, что они срабатывают только один раз. Каждый раз, когда вы перегораете предохранитель, вы должны заменить его новым. Автоматический выключатель делает то же самое, что и предохранитель: он размыкает цепь, как только ток достигает небезопасного уровня, но вы можете использовать его снова и снова.

Базовый автоматический выключатель состоит из простого выключателя , соединенного либо с биметаллической пластиной, либо с электромагнитом . На приведенной ниже схеме показана типичная конструкция электромагнита.

Горячий провод в цепи подключается к двум концам переключателя. Когда переключатель переводится в положение «включено», электричество может течь от нижней клеммы через электромагнит к подвижному контакту, через неподвижный контакт и к верхней клемме.

Электричество намагничивает электромагнит (см. Как работают электромагниты , чтобы узнать, почему). Увеличение тока увеличивает магнитную силу электромагнита, а уменьшение тока снижает магнетизм. Когда ток достигает небезопасного уровня, электромагнит достаточно силен, чтобы опустить металлический рычаг, соединенный с рычажным механизмом переключателя. Вся связь смещается, отклоняя подвижный контакт от неподвижного контакта, чтобы разорвать цепь. Электричество отключается.

Нажмите на автоматический выключатель, чтобы освободить переключатель.

Конструкция с биметаллической полосой работает по тому же принципу, за исключением того, что вместо возбуждения электромагнита сильный ток сгибает тонкую полоску для перемещения рычажного механизма. Некоторые автоматические выключатели используют заряд взрывчатого вещества для включения выключателя. Когда ток превышает определенный уровень, он воспламеняет взрывчатое вещество, которое заставляет поршень размыкать переключатель.

Более совершенные автоматические выключатели используют электронные компоненты ( полупроводниковые устройства) для контроля уровня тока, а не простые электрические устройства. Эти элементы намного точнее и быстрее отключают цепь, но они и намного дороже. По этой причине в большинстве домов до сих пор используются обычные электрические автоматические выключатели.

Одним из новейших устройств автоматического выключателя является прерыватель цепи замыкания на землю или GFCI.. Эти сложные выключатели предназначены для защиты людей от поражения электрическим током, а не для предотвращения повреждения электропроводки в здании. GFCI постоянно отслеживает ток в нейтральном и горячем проводах цепи. Когда все работает правильно, ток в обоих проводах должен быть абсолютно одинаковым. Как только горячий провод соединяется непосредственно с землей (например, если кто-то случайно прикоснется к горячему проводу), уровень тока резко возрастает в горячем проводе, но не в нейтральном проводе. Как только это происходит, GFCI разрывает цепь, предотвращая поражение электрическим током. Поскольку не нужно ждать, пока ток поднимется до небезопасного уровня, GFCI реагирует гораздо быстрее, чем обычный выключатель.

Вся проводка в доме проходит через центральную панель автоматического выключателя (или панель блока предохранителей), обычно в подвале или чулане. Типичный центральный щит включает в себя около дюжины автоматических выключателей, ведущих к различным цепям в доме. Одна цепь может включать в себя все розетки в гостиной, а другая может включать все освещение внизу. Более крупные бытовые приборы, такие как центральная система кондиционирования воздуха или холодильник , обычно включаются в собственный контур.

Для получения дополнительной информации о автоматических выключателях и других электрических системах перейдите по ссылкам на следующей странице.

Первоначально опубликовано: 9 мая 2002 г.

Какие бывают типы автоматических выключателей?

Сколько стоит замена панели выключателя?

Что такое автоматический выключатель?

Должны ли автоматические выключатели быть той же марки, что и панель?

Что лучше предохранитель или автоматический выключатель?

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок