Cầu chì là gì? Tiêu chuẩn và vỏ vật liệu cầu chì

Cầu chì là gì?

Trong lĩnh vực điện tử và kỹ thuật điện, cầu chì (hay là fuse)  là thiết bị an toàn điện có chức năng bảo vệ mạch điện khỏi hiện tượng quá dòng.

Thành phần chính của cầu chì là một sợi dây hoặc dải kim loại có khả năng nóng chảy khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, từ đó ngắt hoặc dừng dòng điện trong mạch.

Cầu chì là thiết bị hy sinh – một khi đã hoạt động, nó sẽ trở thành mạch hở và phải được thay thế hoặc đấu lại, tùy thuộc vào loại cầu chì được sử dụng.

Lịch sử phát triển của cầu chì

Louis Clément François Breguet đã đề xuất việc sử dụng các dây dẫn có tiết diện nhỏ để bảo vệ các trạm điện báo khỏi sét đánh; khi có dòng điện quá lớn, phần dây nhỏ này sẽ nóng chảy, giúp bảo vệ thiết bị và hệ thống dây điện bên trong tòa nhà.

Nhiều loại dây hoặc lá kim loại có thể nóng chảy đã được sử dụng để bảo vệ cáp điện báo và hệ thống chiếu sáng từ sớm nhất là năm 1864.

Cầu chì sau đó được Thomas Edison cấp bằng sáng chế vào năm 1890, như một phần trong hệ thống phân phối điện của ông.

Cấu tạo

Một cầu chì bao gồm một dải kim loại hoặc dây kim loại mảnh, có tiết diện nhỏ hơn nhiều so với dây dẫn của mạch, được gắn giữa hai đầu cực điện và được bao bọc bởi vỏ không cháy. Cầu chì được nối nối tiếp trong mạch để dòng điện đi qua hoàn toàn phần tử bảo vệ. Điện trở của phần tử sinh ra nhiệt khi có dòng điện chạy qua.

Phần tử cầu chì thường được làm từ kẽm, đồng, bạc, nhôm hoặc hợp kim của các kim loại này nhằm đảm bảo đặc tính ổn định và có thể dự đoán được. Lý tưởng nhất, cầu chì có thể chịu được dòng điện định mức vô thời hạn, nhưng sẽ nóng chảy nhanh chóng khi có dòng điện vượt mức nhỏ. Phần tử này không được bị hỏng bởi những xung dòng điện nhỏ vô hại, và cũng không được bị oxy hóa hoặc thay đổi tính chất dù hoạt động trong thời gian dài.

Hình dạng của phần tử cầu chì có thể được thiết kế để tăng hiệu ứng sinh nhiệt. Ở các cầu chì công suất lớn, dòng điện có thể được chia ra qua nhiều dải kim loại. Một cầu chì hai phần tửcó thể chứa một dải kim loại nóng chảy ngay lập tức khi ngắn mạch, đồng thời có một mối hàn có nhiệt độ nóng chảy thấp để phản ứng với quá tải kéo dài ở mức thấp hơn so với ngắn mạch. Phần tử cầu chì có thể được đỡ bằng dây thép hoặc dây hợp kim nichrome để tránh căng lực lên phần tử, và đôi khi có lò xo để tăng tốc độ tách rời khi phần tử đứt.

Phần tử cầu chì có thể được bao quanh bởi không khí, hoặc bởi vật liệu giúp dập hồ quang nhanh hơn, như cát silic hoặc chất lỏng không dẫn điện.

Đặc tính của cầu chì

Dòng điện định mức IN

Là giá trị dòng điện lớn nhất mà cầu chì có thể dẫn liên tục mà không làm gián đoạn mạch điện.

Đặc tính thời gian – dòng điện

Tốc độ mà cầu chì ngắt (cháy) phụ thuộc vào lượng dòng điện chạy qua và vật liệu cấu tạo của cầu chì.

Các nhà sản xuất thường cung cấp biểu đồ quan hệ giữa dòng điện và thời gian, thường được biểu diễn trên thang logarit, để mô tả đặc tính của thiết bị và so sánh với các đặc tính của các thiết bị bảo vệ được lắp đặt ở phía trước và phía sau cầu chì trong mạch điện.

Giá trị I²t

Giá trị I²t liên quan đến lượng năng lượng được truyền qua bởi phần tử cầu chì khi nó ngắt mạch sự cố điện.

Thuật ngữ này thường được sử dụng trong điều kiện ngắn mạch, và các giá trị này được dùng để thực hiện các nghiên cứu phối hợp bảo vệ trong mạng lưới điện.

Các thông số I²t được thể hiện trong biểu đồ trên bảng dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất đối với từng dòng cầu chì.

Khi cần phối hợp hoạt động giữa cầu chì với các thiết bị bảo vệ ở phía trước hoặc phía sau, cả I²t khi bắt đầu nóng chảy (melting I²t) và I²t khi ngắt hoàn toàn (clearing I²t) đều được chỉ định cụ thể.

Khả năng cắt

Khả năng cắt là dòng điện lớn nhất mà cầu chì có thể ngắt một cách an toàn. Giá trị này phải cao hơn dòng điện ngắn mạch dự kiến trong mạch điện.

Các cầu chì cỡ nhỏ thường chỉ có mức dòng ngắt bằng 10 lần dòng định mức của chúng.

Trong khi đó, các cầu chì dùng cho hệ thống điện thương mại hoặc công nghiệp phải có khả năng ngắt cao hơn nhiều  một số cầu chì hạ áp có khả năng giới hạn dòng điện có khả năng ngắt lên tới 300.000 ampe.

Đối với thiết bị điện áp cao (lên đến 115.000 V), khả năng cắt của cầu chì được đánh giá dựa trên tổng công suất biểu kiến (megavolt-amperes – MVA) của mức sự cố trên mạch điện.

Điện áp định mức

Điện áp định mức của cầu chì phải bằng hoặc lớn hơn điện áp hở mạch (open-circuit voltage) có thể xuất hiện trong mạch.

Ví dụ, một cầu chì ống thủy tinh có điện áp định mức 32 V sẽ không thể ngắt dòng điện một cách an toàn nếu được sử dụng trong mạch có nguồn điện 120 V hoặc 230 V.

Nếu một cầu chì 32 V cố gắng ngắt mạch có nguồn 120 V hoặc 230 V, thì hiện tượng hồ quang điện (arc) có thể xảy ra, gây mất an toàn và hư hại cho mạch điện.

Sụt áp

Nhà sản xuất có thể chỉ định giá trị sụt áp trên cầu chì khi dòng điện chạy qua bằng dòng định mức.

Có một mối quan hệ trực tiếp giữa điện trở nguội của cầu chì và giá trị sụt áp. Khi dòng điện được cấp, điện trở và sụt áp của cầu chì sẽ tăng dần theo sự tăng nhiệt độ hoạt động cho đến khi cầu chì đạt cân bằng nhiệt.

Giảm dòng theo nhiệt độ

Nhiệt độ môi trường xung quanh sẽ ảnh hưởng đến các thông số hoạt động của cầu chì.

Ví dụ: một cầu chì định mức 1 A ở 25 °C có thể:

Dẫn dòng tăng thêm 10–20% ở −40 °C,

Ngắt mạch ở 80% giá trị định mức khi 100 °C.

Các giá trị hoạt động cụ thể thay đổi theo từng dòng cầu chì và được cung cấp trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất.

Ký hiệu trên cầu chì

Các cầu chì có bề ngoài tương tự có thể có đặc tính khác nhau đáng kể, được nhận biết thông qua ký hiệu trên cầu chì.

Các ký hiệu cầu chì thường cung cấp các thông tin sau, có thể rõ ràng dưới dạng chữ viết hoặc ngụ ý thông qua ký hiệu của cơ quan chứng nhận cho loại cầu chì đó:

• Dòng định mức của cầu chì.
• Điện áp định mức của cầu chì.
• Đặc tính thời gian  dòng, tức tốc độ ngắt của cầu chì.
• Chứng nhận của các cơ quan tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế.
• Nhà sản xuất / số hiệu linh kiện / series.
• Giá trị ngắt mạch (Interrupting rating / Breaking capacity).

Vỏ và vật liệu

Cầu chì có đa dạng kích thước và kiểu dáng để phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau, được sản xuất theo các dạng vỏ tiêu chuẩn để dễ dàng thay thế.

Thân cầu chì (Fuse bodies) có thể được làm từ:

• Gốm 
• Thủy tinh 
• Nhựa 
• Sợi thủy tinh 
• Lớp mica ép khuôn 
• Sợi ép khuôn 

Tùy thuộc vào ứng dụng và cấp điện áp (voltage class), vật liệu sẽ được chọn phù hợp.

Vỏ và vật liệu của cầu chì

Cầu chì tồn tại với nhiều kích thước và kiểu dáng khác nhau để phục vụ đa dạng ứng dụng, được sản xuất theo các dạng vỏ tiêu chuẩn nhằm dễ dàng thay thế. Thân cầu chì có thể làm từ: gốm, thủy tinh, nhựa, sợi thủy tinh, lớp mica ép khuôn hoặc sợi ép khuôn, tùy theo ứng dụng và cấp điện áp.

• Cầu chì dạng cartridge (ferrule) có thân hình trụ, hai đầu có nắp kim loại. Một số loại có nắp với kích thước khác nhau để tránh việc lắp nhầm cầu chì vào giá, tạo hình dạng giống chai.
• Cầu chì cho mạch điện áp thấp có cực lưỡi hoặc cọc vít, được cố định bằng ốc vào giá đỡ cầu chì. Một số cực lưỡi được giữ bằng kẹp lò xo và thường cần dụng cụ chuyên dụng để tháo ra.
• Cầu chì có thể thay thế (renewable fuses) cho phép thay phần dây cầu chì bên trong, giữ lại thân và cực nếu không bị hư hại sau khi hoạt động.
• Cầu chì hàn vào mạch in có dây dẫn theo trục hoặc theo bán kính; cầu chì gắn bề mặt (surface mount) có miếng hàn thay vì dây dẫn.
• Cầu chì cao áp loại expulsion có ống làm từ sợi hoặc nhựa gia cường thủy tinh, đầu mở và cho phép thay phần dây cầu chì.
• Cầu chì bán kín (semi-enclosed fuses) là loại cho phép thay dây cầu chì bên trong. Dòng cầu chì chính xác không được kiểm soát tốt như cầu chì kín, và khi thay dây phải sử dụng đúng đường kính và vật liệu. Vì lý do này, loại cầu chì này đang dần giảm phổ biến.

Kích thước

Cầu chì có thể được chế tạo với vỏ có kích thước khác nhau nhằm ngăn việc lắp nhầm các cầu chì có định mức khác nhau.

Ví dụ, cầu chì kiểu chai (bottle style) phân biệt các định mức bằng đường kính nắp khác nhau.

Cầu chì thủy tinh ô tô được sản xuất với chiều dài khác nhau để ngăn việc lắp các cầu chì có định mức cao vào mạch điện được thiết kế cho định mức thấp hơn.

Tính năng đặc biệt

Một số cầu chì có các tính năng đặc biệt để nhận biết cầu chì đã bị đứt, ví dụ:

• Cầu chì thủy tinh dạng cartridge hoặc plug: cho phép kiểm tra trực tiếp dây cầu chì.
• Chốt chỉ thị: thò ra khỏi nắp cầu chì khi dây cầu chì bị đứt.
• Đĩa chỉ thị: một đĩa màu rơi ra khi dây cầu chì bị đứt.
• Cửa sổ phần tử: một cửa sổ nhỏ trên thân cầu chì giúp quan sát trực quan dây cầu chì bị đứt.
• Bộ chỉ thị kích hoạt ngoài: hoạt động giống như chốt chỉ thị, nhưng có thể gắn ngoài cầu chì bằng kẹp trên các loại cầu chì tương thích.

Tiêu chuẩn cầu chì

Cầu chì IEC 60269

Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) công bố tiêu chuẩn 60269 dành cho các cầu chì điện áp thấp. Tiêu chuẩn này gồm bốn tập, mô tả các yêu cầu chung, cầu chì cho ứng dụng công nghiệp và thương mại, cầu chì cho ứng dụng dân dụng, và cầu chì để bảo vệ các thiết bị bán dẫn.

Cầu chì UL 248

Tại Hoa Kỳ và Canada, các cầu chì điện áp thấp đến 1 kV AC được sản xuất theo tiêu chuẩn UL 248 của Underwriters Laboratories hoặc tiêu chuẩn hài hòa của Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (CSA) C22.2 Số 248. Tiêu chuẩn này áp dụng cho các cầu chì có điện áp định mức 1 kV hoặc thấp hơn, AC hoặc DC, và có khả năng cắt dòng lên đến 200 kA. Những cầu chì này được thiết kế cho các hệ thống lắp đặt tuân theo Bộ Luật Điện Canada, Phần I (CEC), hoặc Quy chuẩn Điện Quốc gia Hoa Kỳ, NFPA 70 (NEC).

Cầu chì ô tô

Cầu chì ô tô có thể được phân loại thành bốn loại chính:

• Cầu chì dạng lưỡi 
• Cầu chì ống thủy tinh hoặc loại Bosch 
• Dây cầu chì chảy
• Bộ giới hạn cầu chì 

Hầu hết các cầu chì ô tô định mức 32 V được sử dụng cho các mạch điện có điện áp 24 V DC trở xuống. Một số phương tiện sử dụng hệ thống điện DC đôi 12/42 V, do đó cần cầu chì có định mức 58 V DC.

Cầu chì điện áp cao

Cầu chì được sử dụng trên các hệ thống điện có điện áp lên đến 115.000 V AC. Cầu chì điện áp cao được dùng để bảo vệ các biến áp dụng cụ dùng cho đo lường điện hoặc các biến áp công suất nhỏ, nơi chi phí lắp đặt một cầu dao là không hợp lý. Một cầu dao cho điện áp 115 kV có thể có giá gấp đến năm lần so với một bộ cầu chì công suất, do đó việc sử dụng cầu chì có thể tiết kiệm hàng chục nghìn đô la.

Cầu chì phóng điện

Cầu chì phóng điện là loại cầu chì cao áp được thiết kế để dập hồ quang bằng cách đẩy khí hoặc các vật liệu cách điện ra ngoài khi xảy ra sự cố. Khi dòng điện vượt quá mức định mức, phần dây cầu chì nóng chảy, tạo ra hồ quang. Hồ quang này được dập tắt bằng lực cơ học hoặc khí nén, thường kết hợp với ống làm bằng sợi thủy tinh hoặc nhựa gia cường, mở một đầu để khí phóng ra ngoài. Loại cầu chì này thường được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao để bảo vệ thiết bị khỏi quá dòng mà vẫn đảm bảo khả năng cắt dòng an toàn.

So sánh với bộ ngắt mạch

Cầu chì có ưu điểm là thường rẻ hơn và đơn giản hơn so với bộ ngắt mạch có cùng định mức. Khi cầu chì bị đứt, cần phải thay thế bằng một thiết bị mới, điều này kém tiện lợi hơn so với việc chỉ cần đặt lại bộ ngắt mạch, và do đó, nó có xu hướng khiến người dùng ít bỏ qua các sự cố hơn.

Tuy nhiên, việc thay cầu chì mà không cách ly mạch trước (hầu hết các thiết kế hệ thống điện trong tòa nhà không cung cấp công tắc cách ly riêng cho từng cầu chì) có thể nguy hiểm, đặc biệt nếu sự cố là một mạch ngắn.

Các bộ bảo vệ mạch khác

Cầu chì có thể đặt lại

Cầu chì tự phục hồi, còn gọi là self-resetting fuse, sử dụng một phần tử dẫn điện bằng nhựa nhiệt dẻo được gọi là thermistor PPTC, có tác dụng ngăn dòng điện trong mạch khi xảy ra tình trạng quá dòng (bằng cách tăng điện trở của thiết bị).

Thermistor PPTC có khả năng tự phục hồi, nghĩa là khi dòng điện bị loại bỏ, thiết bị sẽ nguội đi và trở lại trạng thái điện trở thấp. Những thiết bị này thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ hoặc hạt nhân, nơi việc thay thế gặp khó khăn, hoặc trên bo mạch máy tính để ngăn trường hợp chuột hoặc bàn phím bị chập làm hỏng bo mạch chủ.

Cầu chì nhiệt

Cầu chì nhiệt thường được tìm thấy trong các thiết bị tiêu dùng như máy pha cà phê, máy sấy tóc hoặc các biến áp cung cấp điện cho thiết bị điện tử nhỏ.

Chúng chứa một hợp chất nhạy nhiệt có khả năng nóng chảy và điều khiển cơ chế tiếp điểm lò xo, vốn thường ở trạng thái đóng. Khi nhiệt độ xung quanh vượt quá mức cho phép, hợp chất này sẽ nóng chảy, khiến cơ chế tiếp điểm lò xo ngắt mạch.

Thiết bị này có thể được sử dụng để ngăn ngọn lửa, chẳng hạn trong máy sấy tóc, bằng cách cắt nguồn điện tới các thanh nhiệt khi luồng khí bị gián đoạn.

Bộ giới hạn cáp

Bộ giới hạn cáp tương tự như cầu chì nhưng chỉ dùng để bảo vệ các cáp điện áp thấp. Nó được sử dụng, ví dụ, trong các mạng có nhiều cáp nối song song.

Bộ giới hạn không nhằm bảo vệ quá tải, mà chủ yếu bảo vệ cáp khi gặp sự cố ngắn mạch. Đặc tính của bộ giới hạn được thiết kế phù hợp với kích thước cáp, sao cho nó ngắt mạch trước khi lớp cách điện của cáp bị hư hỏng.