퓨즈(Fuses)

역할

퓨즈는 회로에 과도한 전류가 흐를 때 내부의 금속 부품이 녹아 귾어져 개방회로를 만듦으로써 회로를 보호하는 장치이다. 

'리셋가능 퓨즈(Resettable Fuses)'를 제외한 모든 퓨즈는 기능을 다한 이후에는 새것으로 교체하여 사용하여야 한다.

퓨즈는 AC 또는 DC 전압에서 모두 사용이 가능하며 거의 모든 전류에 대응할 수 있다.

작동원리

퓨즈의 엘리먼트(Element)는 일반적으로 도선이나 가는 금속 띠로 이루어져 있으며, 2개의 단자 사이에 연결되어 있다.

카트리지 퓨즈는 엘리먼트와 양쪽 끝 단자를 유리나 세라믹 재질, 또는 작은 금속 원통으로 둘러싼 것이다.

유리 카트리지는 퓨즈가 끊어졌는지를 육안을 확인이 가능하다.

퓨즈는 오직 전류에만 반응하고 전압에는 반응하지 않는다.

안정적인 전류 소비조건에 맞는 퓨즈를 선택하려면 모든 부품이 정상적으로 작동할 때 최대 전류를 계산한 후 거기에 50%를 더하는 것이 가장 안전하다.

서지전류가 발생하거나 스파이크가 일어날 가능성이 있다면, 그 지속 시간도 함께 고려해야 한다.

I를 서지전류(단위 A)라 하고 t를 지속 시간(단위 초)이라고 할 때, I2t라고 하는 퓨즈의 서지 감도는 다음의 공식으로 주어진다.

일부 반도체 역시 I2t 값을 가지고 있으며, 이 값과 비슷한 퓨즈를 이용해 보호해야 한다.

모든 퓨즈는 흐르는 전류에 대하여 저항을 가지고 있다.

저항이 없다면 열이 발생하지 않아 퓨즈가 끊어지지 않기 때문이다.

퓨즈의 내부 저항으로 인해 회로에서 발생하는 전압강하에 관한 내용은 제조업체의 데이터시트에 명시되어 있다.

부품값

퓨즈의 정격전류는 일반적으로 퓨즈 케이스에 인쇄되어 있거나 새겨져 있다.

이값은 일반적으로 섭씨 25도에서 퓨즈가 연속적으로 견 딜 수 있는 최대 전류값이다.

퓨즈는 최대 정격전류에서 안정적으로 그리고 무한정으로 작동하고, 전류가 최대 정격전류의 약 20%까지 오를 때 귾어지는 것이 가장 이상적이다.

보편적으로 퓨즈에 연속으로 걸리는 부하가 섭씨25도에서 정격전류의 75%를 넘지 않도록 권고한다.

퓨즈의 정격전압은 엘리먼트에 과도 전류가 걸릴 때 안전하고 예측 가능한 방식으로 녹을 수 있는 최대 전압으로 정의된다. 

이 값은 차단용량(breaking capacity)이라고 한다. 이 값을 넘는 경우 퓨즈 엘리먼트의 파편이 아크(arc)를 형성하면서 전기 전도성을 일부 유지할 수 있다.

퓨즈는 정격전압 이하의 전압에서는 언제나 사용 가능하다.

차단용량이 250V인 퓨즈를 5V에서 사용한다고 해도 같은 효과를 기대할 수 있다.

소형 카트리지 퓨즈

가전제품용 소형 카트리지 퓨즈는 다양한 크기로 출시되어 있다.

반경 4.5mm의 퓨즈(유럽형)을 제외하고, 나머지 퓨즈의 크기는 원래 인치로 측정된 것이다. 

카트리지 퓨즈는 일반적으로 양쪽 끝에 단자가 붙어 있는 형태로 되어 있어 스루홀(through-hole)부품으로 사용할 수 있다.

퓨즈에는 속단형, 중간형, 지연형이 있으며, 지연형에는 타임 딜레이 퓨즈(time delay fuse)라고 부르기도 한다. 

보편적으로 이용되는 유리관 퓨즈를 대체하는 카트리지 퓨즈 중 일부는 세라믹을 이용한다. 

회로에서 과다전류가 발생할 가능성이 있다면 세라믹 카트리지 퓨즈를 이용하는 것이 좋다.

세라믹 카트리지에는 아크 형성을 방지하는 충전제가 들어 있기 때문이다.

아주 높은 전류로 인해 퓨즈가 물리적으로 손상된다고 해도 세라믹 파편이 유리 파편보다 비교적 더 안전하다.

자동차용 퓨즈

자동차용 퓨즈는 다른 퓨즈와 달리 소켓에 꽂을 수 있는 플러그가 부착되어 있어 진동이나 온도 변화에도 접촉이 헐거워지지 않는다. 자동차용 퓨즈는 크기가 다양하며, 균일한 색깔 코드를 통해 쉽게 구별할 수 있다.

스루홀 퓨즈

단자가 달린 소형 퓨즈는 PCB의 구멍에 삽입하는 부품과 비슷한 형태로 타입에 맞는 소켓과 함께 사용할 수 있어 쉽게 교체할 수 있다. 이러한 퓨즈는 '초소형 퓨즈'로 분류되며, 흔히 랩톱 컴퓨터 내부 및 그 전원, TV, 배터리 충전기, 에어컨 등에 사용된다.

[위에 이미지는 SR-5-315mA Subminiature time-delay fuses . DataSheet : Bus_Elx_DS_4347_SR-5_Series.pdf

리셋가능 퓨즈

리셋가능 퓨즈(Resettable fuse)는 폴리스위치(PTC 또는 PPTC(Polymeric positive temperature coeffcient) 퓨즈)라고 하는데, 캡슐에 싸인 고체 소자로 과전류가 발생하면 저항이 큰 폭으로 증가하지만, 전류의 흐름이 끊어질 경우 서서히 원상태로 복구된다. 

이 퓨즈는 비선형적으로 반응하는 온도센서라고 볼 수 있다.

카트리지 퓨즈의 경우 크기가 달라도 규격이 같았던 반면, 리셋가능 퓨즈는 규격이 달라도 크기가 동일할 수 있다.

퓨즈에 최대 허용치 이상의 전류가 흐르면 내부 저항은 수 옴에서 수십만 옴까지 급격히 증가한다.

이러한 현상을 퓨즈가 작동된다라고 부른다. 이때 불가피하게 약간의 지체가 있을 수 있지만 지연형 퓨즈의 반응에 소요되는 시간과는 비교가 되지 않는다.
리셋가능 퓨즈는 전도성을 가진 흑연 입자로 구성된 경정 구조 폴리머를 포함하고 있다. 

전류가 퓨즈를 통과하여 흐르면서 열을 발생시키면 폴리머는 무정형(amorphous) 상태로 전이되며 흑연 입자들이 분리되면서 전류가 흐르는 채널이 차단된다. 

전원이 끊어질 때까지는 폴리머의 무정형 상태를 유지하기에 충분한 약간의 전류가 여전히 부품을 통해 흐를 수 있다.
리셋가능 퓨즈가 냉각되고 난 후 퓨즈는 서서히 재 결정화된다. 

그러나 저항이 원래 값으로 완전히 돌아오는 데까지는 한 시간 이상이 걸린다.

리셋가능 퓨즈의 최대 허용 전류를 유지전류(hold current)라고 하며 반응을 촉발시키는 전류를 트립전류(trip current)라고 한다.

리셋가능 퓨즈는 정격 트립전류 20mA에 서 100A 사이에서 사용할 수 있다. 

기존 가전제품에서 사용하는 퓨즈의 정격 전압이 600V 이상인 반면 리셋터블 퓨즈 중 정격전압 100V를 넘는 제품은 흔하지 않다. 

일반적인 카트리지 퓨즈는 온도에 의해 받는 영향이 미미하다. 

그러나 리셋가능 퓨즈의 정격전류는 섭씨 50도에서 75%,섭씨 80도에서는 50%까지 떨어진다. 

다른 말로 하면 섭씨 25도에서 정격전류가 4A인 제품은 온도가 섭씨 50도가 되었을 때 3A밖에 되지 않는다는 뜻이다. 

리셋가능 퓨즈는 컴퓨터 전원공급장치,USB전원에서 사용되며 또한 확성기 케이스에도 부착되어 스피커 코일이 오버드라이브되는 것을 막는다. 

리셋가능 퓨즈는 상대적으로 퓨즈가 자주 가동되어야 할 때 또는 사용자가 기술적인 내용을 잘 몰라 퓨즈 교체나 회로 차단기를 리셋하는 데 어려움을 느낄 경우에 사용하는 것이 좋다.
리셋가능 퓨즈의 제품명은 폴리스위치(PolySwitch), 옵티리셋(PotiReset), 에버퓨즈(Everfuse), 폴리퓨즈(Polyfuse), 멀티퓨즈(MultiFuse) 등이 있다. 

리셋가능 퓨즈는 표면 실장형(surface-mount) 패키지 또는 스루홀 부품의 형태로 출시되어 있지만 카트리지 형태로는 나와있지 않다.

표면 실장형 퓨즈

표면 실장형 퓨즈는 기판에 납땜을 한 후에는 교체가 어렵거나 불가능하므로 리셋이 가능한 형태로 많이 사용한다.

사용법

모터,펌프,기타 유도성 부하를 포함하는 제품에서는 스위치를 켤 때 초기 서지전류가 퓨즈의 정격전류 이상으로 오를 가능성이 있으므로 지연형 퓨즈를 사용해야 한다. 지연형 퓨즈는 서지전류를 2~3초 정도 잡을 수 있지만 다른 퓨즈는 그렇지 않다.
이와는 반대로 속단형 퓨즈는 전자제품에서 사용하며 그중에서도 빠르고 쉽게 손상을 입는 집적회로에 사용해야 한다.
에너지가 큰 배터리 전원을 이용하는 장치에서도 퓨즈를 사용해야 한다.그 이유는 제품이 단락되었을 때 배터리가 예기치 않은 오작동을 일으키기 때문이다.여러 개의 대형 배터리를 병렬로 연결할 경우 과충전된 배터리가 이웃 배터리를 충전하는 것을 막기 위해 퓨즈를 사용해야 한다. 태양광 발전에서는 엄청난 규모의 납 축전지를 사용하는데 여기에는 일반적으로 정격전류가 125~450A가량의 J사이즈 퓨즈를 많이 사용한다. 이런 퓨즈는 양쪽 끝에 두꺼운 황동 탭이 있으며 제 위치에 고정시키기 위해 드릴로 박거나 적절한 퓨즈 홀더를 사용하여 끼워 넣기도 한다.

주의사항

퓨즈가 끊어지는 일이 자주 발생할 경우에는 회로 전반을 점검하여야 한다.

전원공급장치를 켤 때 장치 내의 대형 필터링 캐패시터가 대규모 서지전류를 일으키지 않는지 점검하여야 한다. 

돌입전류(peak inrush current)라고 알려져 있는 서지 전원을 오실로스코프로 측정하여 I2t를 파형으로 계산하고 이 값이 최소 5배의 규격을 갖는 퓨즈를 선택하는 것이 가장 정확한 절차이다.

[출처 : Make: 전자부품백과사전, 전력 전원 및 변환 vol.1 , 한빛미디어]