퓨즈

퓨즈(fuse)

퓨즈(fuse)는 전기회로에 장착되어, 회로 상에서 규정된 전류보다 더 큰 전류가 발생하는 경우, 규정된 시간 내에 전류를 차단하여 회로를 보호하는 장치를 말한다.

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상세

퓨즈는 전기회로의 과전류로부터 기계장치를 보호하기 위해 전자 및 전기공학에서 일반적으로 사용되는 부품이다. 기본적으로 퓨즈는 가느다란 금속 와이어로 과전류가 흐르면 녹아서 전류의 흐름을 차단한다. 퓨즈는 금속이 녹아서 금속의 연결이 끊어지는 것이기 때문에 퓨즈는 한 번 사용하고 나면 대부분 재사용이 불가능하므로 새것으로 교체해 주어야 한다. 퓨즈는 오래전부터 전기 장치에 필수적으로 설계되는 안전장치로 사용되었다. 오늘날 적용되는 장치, 프로그램에 따라 전압 등급, 특정 전류, 차단 용량, 응답 시간 등에 있어 사양을 달리하는 수천 가지의 퓨즈들이 설계되어 사용되고 있다. 퓨즈의 시간과 전류 동작 특성은 과전류 발생 시 회로 상에서 불필요한 중단 없이 적절한 보호 기능을 제공하도록 설계된다. 일반적으로 퓨즈의 배선 규정은 특정 회로에 대하여 퓨즈 최대 정격 전류로 정의된다. 퓨즈를 사용하는 이유는 퓨즈의 단순성과 높은 차단 용량 덕분이다. 퓨즈는 신뢰성이 높으며, 작업자 및 기기에 최선의 안전을 제공한다. 그리고 고장 전류의 파급이 최소화되며, 아크(Arc) 소호기구가 필요없기 때문에 가장 우수한 과전류 보호장치로 널리 쓰이고 있다. 일반적으로 퓨즈가 끊기는 원인은 과전류이다. 과전류를 일으키는 원인은 크게 두 가지이다. 과부하와 단락이다. 과부하 시 정격전류의 2~10 배의 전류가 흐른다. 과부하가 장시간 지속되면 기기의 손상 또는 화재를 초래한다. 단락 시, 순식간에 정격전류의 10배 이상의 전류가 흘러 퓨즈의 배선이 끊어지게 된다.

원리

퓨즈는 전기 회로의 과부하 발생시 또는 전기제품 회로 내부의 선간 단락 및 누설전류 발생시 회로의 과전류 차단용으로 사용된다. 퓨즈는 회로에 직렬로 연결되고, 전기 제품에 지나친 전류가 흐르게 되면 전류의 흐름을 즉시 차단해 준다. 퓨즈의 열량 계산식은 다음과 같다.

$H=0.24*I^{2}*R*t(cal)$

도선에 전류가 흐르면 도선의 전기저항에 의해 위의 식과 같은 열이 발생하게 되는데, 단락이나 기타 원인에 의해 회로의 전류가 갑자기 늘어나게 되면 퓨즈 내에서 발생하는 열이 커져 결국엔 퓨즈의 금속이 더 이상 견디지 못하고 녹아버리게 된다. 그렇게 되면 퓨즈 양단을 연결해 주는 금속의 연결이 끊김으로서 전로가 차단되는 것이다. 여기에서 $I$는 전류, $R$은 도선의 저항, $t$는 시간을 의미한다. 회로의 다른 전선 부분이 녹아내리지 않고 퓨즈 내의 전선만이 녹는 이유는 식에서 볼 수 있듯이 퓨즈 내의 전선의 저항이 다른 부분의 일반 전선보다 크므로, 대부분의 열이 퓨즈 내에서 발생하기 때문이다. 납∙주석∙아연 등의 합금이 구리보다 도전성이 낮을 뿐만 아니라, 일반 전선보다 퓨즈 내의 전선은 가늘게 만들어지기 때문에 퓨즈 내의 도선 저항이 더 높을 수 밖에 없다.

재료 및 구조

퓨즈의 구조는 간단하다. 퓨즈 내부에 납∙주석 또는 아연∙주석 합금의 전선이 양 전극을 연결시켜 주고, 퓨즈 홀더에 삽입하고 고정하여 사용하는 구조이다. 온도 퓨즈는 온도 감지에 의한 회로 차단 장치로, 화재나 누전, 전자제품의 비정상적인 과정에서 생기는 과전류로 인한 과열을 감지하여 회로를 차단하는 부품이다. 과전류가 발생하기 전에는 리드선과 가용체가 서로 연결되어 있다. 특수 수지는 로진이 주성분이다. 이는 퓨즈의 동작 성능을 장기간 유지하기 위해 가용체 주위에 도포되어 있다. 가용체와 특수수지는, 전류의 사소하고 무해한 써지(surge)에 의해서 손상되거나, 사용 기간이 길다고 산화되거나 변해서는 안 된다. 그러므로 퓨즈의 양 끝은 에폭시 수지로 밀봉되어 있다. 퓨즈에 과전류가 발생하게 되면 융점에 도달한 가용체가 변화하기 시작한다. 로진이 주성분인이 특수 수지에 의해 합금의 표면장력이 증가되어 가용체가 양 끝단 쪽으로 응축되면서 끊어지게 된다. 영구적으로 회로가 끊어지게 되는 것이다. 이 과정이, 과전류가 발생하면 퓨즈에서 전류를 차단하는 원리이다. 퓨즈의 가용체는 안정된 상태와 예측 가능한 특성을 위해 아연, 구리, 은, 알루미늄 합금 등으로 제작된다. 이상적인 퓨즈는 정격 전류를 무한정 흐르게 하며, 허용 범위치 보다 조금이라도 높게 전류가 흐르게 되면 빠르게 반응하여 녹게 된다.

종류

퓨즈는 모양과 용도에 따라 여러 가지 종류가 있다.

오토퓨즈로 구성된 퓨즈박스

• 실 퓨즈 : 얇은 실 모양의 퓨즈로서, 주로 5A 이하의 낮은 전류에 사용한다.
• 고리 퓨즈 : 양 끝이 고리 모양으로 되어 있다. 연합금의 선이나 판의 양단에 동의 고리를 납땜 또는 기타의 방법으로 접착한 것이나 아연판을 정공하여 그 양단을 고리 형태로 제작한 것이다. 비교적 낮은 전류에 사용된다.
• 플러그 퓨즈 : 나사식 구조로 설계되어 있다. 전구처럼 끼워 넣어서 자기 또는 특수 유리제 등의 플러그 안에 퓨즈를 넣어서 전기회로를 보호한다. 납과 주석 또는 아연과 주석의 합금으로 만든다. 최대 용량 30A이며, 전구처럼 끼워 넣어 120V의 회선을 보호한다.
• 통형 퓨즈 : 절연통 안에 들어 있는 퓨즈로서, 가장 흔히 사용한다. 파이버제 또는 유리관 등의 통 속에 퓨즈를 넣은 것으로, 원기둥 모양의 퓨즈를 퓨즈 홀더에 끼우거나 PCB에 볼팅하는 형태이다. 퓨즈가 끊어졌을 때 아크로 인해 주변 부품에 영향을 주지 않기 위해 완전히 밀폐된 구조를 가지고 있다. 특히 퓨즈 홀더에 끼우는 타입은 과전류에 의해 퓨즈가 끊어졌을 때 쉽게 퓨즈를 교체할 수 있다는 장점이 있다. 한편 통형 퓨즈는 220볼트를 사용하는 일반 제품이나 배전반, 분전반에서 많이 사용한다.
• 한류형 퓨즈 : 밀폐 절연통 양단의 접촉금속을 절연통 내부의 퓨즈 엘리먼트로 연결한 후, 규사, 모래 등의 입자상 소호제를 충전하여 밀봉한 것을 말한다. 한류 퓨즈는 아크 전압을 높임으로써 단락 전류를 제한하여 차단한다. 높은 전압을 차단하는 데 많이 사용된다.
• 오토 퓨즈 : 하우징이 플라스틱으로 설계되어 있으며 자동차 전장부품을 보호하기 위해 주로 많이 사용한다. 사용자가 육안으로 확인하여 퓨즈가 끊어졌는지 확인할 수 있으며, 쉽게 교체할 수 있다. 보통 퓨즈박스는 오토 퓨즈로 구성된다.

선정 시 고려사항

퓨즈를 선정하기 위해서는 다음과 같은 사양을 고려해야 한다.

• 시스템 정격 전압 및 최대 전압 : 퓨즈의 정격 전압은 시스템의 정격전압 보다 큰 것을 선정해야 한다. 또한, AC 전압과 DC 전압용이 따로 있기 때문에 구분해서 적용해야 한다.
• 시스템 정격 전류 및 최대 전류 : 퓨즈의 정격 전류는 시스템의 정격전류 보다 큰 것을 선정해야 한다. 하지만, 단순하게 크게만 선정하는 것이 아니라 주위 온도, 부스바(bus-bar)의 면적, 냉각풍속도, 퓨즈 재질 등을 고려하여 선정해야 한다.
• 차단 용량 : 퓨즈가 최대 정격 전압 보다 낮은 전압에서 차단할 수 있는 최대 안전 전류라고 할 수 있다.
• 소비 전력(I2T) : 퓨즈가 끊어질 때 발생하는 아크 때문에 열에너지를 고려해야 할 때도 있다.

참고자료

• 〈퓨즈 (Fuse)〉, 《물리학백과》
• 〈퓨즈(fuse)의 원리 및 구조〉, 《월간 전기제품 안전21》, 2007
• 쏭, 〈퓨즈의 종류 및 시험〉, 《네이버 블로그》, 2018-04-02
• ICbanQ 아이씨뱅큐, 〈기초전자부품 - 퓨즈〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-16
• Y4 와이넷, 〈멀티 테스터를 이용한 내 차 퓨즈 점검 방법〉, 《네이버 블로그》, 2020-03-17
• 엠에스리, 〈퓨즈의 종류 (Fuse)〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-05
• 새야새야, 〈퓨즈(Fuse)의 이해〉, 《티스토리》, 2020-12-02
• 미니, 〈# 퓨즈 (Fuse) 알아보기 / 퓨즈란?, 퓨즈의 종류, 퓨즈 선정 시 고려사항〉, 《개인블로그》, 2021-03-19
• 〈파워퓨즈(Power Fuse)의 구조 및 종류 / 전력퓨즈의 용도 등〉, 《티스토리》, 2022-04-25

같이 보기

• 퓨즈박스
• 과부하
• 용단 (퓨즈)
• 필라멘트

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