Перейти к содержанию

Короткое замыкание

Короткое замыкание — то, чего боятся все, кто впервые собирает схему: провод от плюса к минусу, и батарейка греется, а дорожка на плате сгорает. Разбираем, что происходит в цепи, почему ток не бесконечный и как цепи защищают от КЗ.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Короткое замыкание (КЗ, short circuit) — соединение, создающее путь тока с очень малым или нулевым сопротивлением, например прямое соединение полюсов источника проводом. Kuphaldt определяет короткое замыкание как цепь, которая почти не оказывает сопротивления току, и предупреждает, что с мощными источниками оно опасно: большой ток выделяет много тепла (т. I, гл. 1).

Что ограничивает ток

По закону Ома ток через нулевое сопротивление был бы бесконечным. Kuphaldt разбирает именно этот случай: закороченный резистор 0 Ом теоретически потребовал бы бесконечного тока, но ни один реальный источник не может отдать огромный ток и при этом удержать напряжение — мешает его внутреннее сопротивление, присущее любому источнику (т. I, гл. 5). Поэтому ток КЗ примерно равен

IКЗ≈Er+Rцепи,I_\text{КЗ} \approx \frac{E}{r + R_\text{цепи}},

где E — ЭДС источника, r — его внутреннее сопротивление, Rцепи — сопротивление проводов и места замыкания. Пример (наш расчёт): элемент 1,5 В с внутренним сопротивлением 0,3 Ом даёт при замыкании толстым проводом до 5 А.

Закороченный элемент

КЗ бывает не только у источника: элемент цепи может «закоротиться» — выйти из строя так, что его сопротивление станет почти нулевым. Kuphaldt показывает это на последовательной цепи 9 В: при закороченном среднем резисторе ток вырос с 20 до 60 мА, падение напряжения на нём стало нулевым, а два других резистора приняли на себя все 9 В (гл. 5, «Component failure analysis»). Противоположная неисправность — обрыв цепи.

Защита

Тепло выделяется в сопротивлениях на пути тока — во внутреннем сопротивлении источника и в проводниках, поэтому при КЗ греется батарея и могут перегореть тонкие дорожки. В сверхпроводящем контуре с нулевым сопротивлением мощность не рассеивалась бы вовсе (Kuphaldt, гл. 2). Основы — в уроке «Напряжение, ток и сопротивление».

Частые вопросы

Почему при коротком замыкании ток не бесконечный?

Потому что у любого источника есть внутреннее сопротивление, а у проводов — своё. Kuphaldt показывает, что закороченный резистор 0 Ом по закону Ома потребовал бы бесконечного тока, но реальный источник не может отдать огромный ток и удержать напряжение из-за внутреннего сопротивления (т. I, гл. 5). Ток КЗ ≈ ЭДС / (внутреннее сопротивление + сопротивление цепи).

Где выделяется тепло при коротком замыкании?

В сопротивлениях, через которые течёт ток: во внутреннем сопротивлении источника и в проводах или дорожках. Поэтому при КЗ греется батарейка и может перегореть тонкая дорожка. В идеальном сверхпроводящем контуре с нулевым сопротивлением мощность не рассеивалась бы вовсе (Kuphaldt, т. I, гл. 2).

Как защитить схему от короткого замыкания?

Ограничить ток или разорвать цепь: плавкий или самовосстанавливающийся предохранитель, электронный предохранитель, стабилизатор со встроенным ограничением тока, резистор в цепи питания маломощной нагрузки. Выбор зависит от тока и того, должна ли схема восстанавливаться сама.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 1 «Basic Concepts of Electricity», CC BY — разд. «Resistance»: прямое соединение полюсов источника проводом опасно — ток может быть очень большим, энергия выделяется в виде тепла; итоги: короткое замыкание — цепь с малым или нулевым сопротивлением, опасно с мощными источниками из-за большого тепловыделения
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 5 «Series and Parallel Circuits», CC BY — разд. «Component failure analysis»: закороченный элемент ведёт себя как перемычка; в последовательной цепи 9 В ток растёт с 20 до 60 мА, падение на закороченном резисторе нулевое; закороченный резистор 0 Ом теоретически потребовал бы бесконечного тока (I = E/0), но реальный источник не удержит напряжение из-за внутреннего сопротивления
  3. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 2 «Ohm's Law», CC BY — разд. «Power in electric circuits»: в контуре из сверхпроводника с нулевым сопротивлением ток может течь при нулевом напряжении, и мощность P = I·E не рассеивается

Нашли ошибку?

Смотрите также