[技术浅谈TechTalk]熔断器/保险丝简介

力特奥维斯Littelfuse 2022-08-26 10:32

  


技术浅谈

TechTalk

  


作者:Littelfuse客户经理Rambo Liu

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保险丝作为过流保护器件,在电子行业得到普遍应用,存在感非常强,却又那么不起眼,只要不是全新的设计方案,只要没出问题,经验的沿用以至于很多硬件工程师对于保险丝的参数与选型不明所以。本文旨在浅显易懂地讲述保险丝及其应用注意事项,供有需人士参考。


工作原理及构成

保险丝作为电流敏感器件,常被设计于电路里面作为薄弱环节,通过在过载或短路状态下熔体热积累熔断的机理来保护分立元件或者完整电路。保险丝由三个部分组成:壳体、端子、熔体。壳体起到固定熔体作用,便于安装与使用;端子作为电极,是熔体与电路连接的重要部件,要有良好的导电性以减少接触电阻;熔体是保险丝的核心,通常由铅锑合金、铜、银、锡等构成,熔体通过设计薄弱点来可靠熔断,比如局部更窄的通道或折弯绕线增加阻抗,以及通过掺杂低熔点金属实现冶金效应(冶金效应是指有的熔断器的铜熔体上所焊的锡球,在过负荷时首先熔化,包裹住铜熔体,铜锡相互渗透,形成熔点较铜熔点低的铜锡合金,从而使铜熔体能在较低的温度下熔断,以实现过负荷保护)。


保险丝分类

保险丝分类方式有很多,如下罗列部分作为参考。

  • 按使用范围分,可分为:消费类、工业、汽车保险丝。

  • 按体积分,可分为:大型、中型、小型及微型。

  • 按额定电压分,可分为:高压保险丝、低压保险丝和安全电压保险丝。

  • 按分断能力分,可分为:高、低分断能力保险丝。

  • 按安装方式分,可分为:贴片、插件、线束、螺栓型保险丝。

  • 按熔断速度分,可分为:特慢速保险丝(一般用TT表示)、慢速保险丝(一般用T表示)、中速保险丝(一般用M表示)、快速保险丝(一般用F表示)、特快速保险丝(一般用FF表示)。

  • 按标准分,可分为:欧规保险丝、美规保险丝、日规保险丝。


核心参数

环境温度

环境温度指的是保险丝周围的空气温度,此温度要与室温区分开来,由于保险丝通常工作于密闭条件下(机壳内部)或安装靠近于发热器件(例如电阻,变压器等),因此环境温度通常要比室温高一些。保险丝是通过热积累熔断来工作,因此设计时需要考虑温度降额系数,该系数通常在规格里面有图表可查。

 

分断能力:

分断能力也称短路能力,是指保险丝在额定电压下能可靠分断的最大电流。在故障或者短路条件下,保险丝会遭受数倍甚至数十倍以上于额定电流的瞬间过载,安全运行要求保险丝能保持完整(没有爆炸或本体破裂)以及清除故障。保险丝被安置的电路的预期故障电流必须小于标准规定的额定分断电流,否则,当故障导致保险丝熔断时会出现持续飞弧、引燃、保险丝烧毁、连同接触件一起熔融、保险丝标记无法辨认等现象。根据设计的不同,分断电流会从35A到200kA不等,分断电流能力会随着工作电压的增加而下降,反之亦然,鉴于规格通常只定义某个或某几个电压下的分断电流,对于实际工况有特殊要求的,可以联系厂商获取对应数据。

 

额定电流:

电流额定值表明了保险丝在限定测试条件下的电流承载能力。每只保险丝都会注明电流额定值,这个值可以是数字、字母或颜色标记,可以通过产品数据表找到每种标记的意义。

 

额定电压:

保险丝的电压额定值必须大于或者等于可靠分断短路电流时的最大电压。由于保险丝的阻值较低,正常工作时保险丝两端压降较小,只有当保险丝试图熔断与电弧产生时, 保险丝的电压额定值才变得重要。此电压在分断能力中已经提及,当熔丝元件熔化后,保险丝必须能迅速断开,熄灭电弧,并且阻止开路电压通过断开的熔体再次触发电弧。

 

降额系数:

对于25oC环境温度下,建议在限定测试条件下,保险丝工作于75%额定电流值以下,此测试条件是UL/CSA/ANCE (Mexico) 248-14“补充过流保护--保险丝”里的部分,旨在明确定义必要的通用测试标准,适用于可持续管控产品生产制造,以防止起火等危害。这些标准里面一些通用的变量包含:全密封的底座,高接触阻抗,空气流动,瞬时尖峰,以及连接线缆的变化(直径与长度)。保险丝本质上是温度敏感型器件,即使是管控测试条件下的细小变量都可能极大影响其在100%负载时的预计寿命。因此线路设计工程师应该清楚明白管控测试条件的目的是保证保险丝制造商能够生产出符合标准的一致化产品。为了补偿这些变量以及确保线路设计无故障长生命周期的保护,75%降额是非常有必要的。另外IEC保险丝无需降额,其标准在电流定义时已经考虑进去。

 

保险丝作为温度敏感型器件,在流过电流时其温度会随着环境温度的变化上升或下降。大部分规格里面会定义温度降额曲线,而大多数创痛的慢断型保险丝采用慢熔材料,因此对于温度变化更为敏感。

 

阻抗:

保险丝的阻抗通常在整个电路中可以忽略不记。但是对于毫安级保险丝,其阻抗会达到几个欧姆,在低压线路里压降就会较为显眼,需要重点考虑。大多数的保险丝是由正温度系数材料构成,因此可以参考冷态电阻与热态电阻,实际工作阻抗介于两者中间。

 

冷态电阻是在保险丝施加不超过10%额定电流时测试得出来的值,热态电阻是流过额定电流时,通过稳定状态下的压降计算得出来。保险丝的阻抗误差可以限定在一定的范围内,需要增加成本。

 

时间电流曲线:

时间电流曲线通常是一个平均值,可以作为设计工具,但是并不是规格书必须定义的部分。由于同等电流规格书的保险丝可表现出截然不同的时间电流熔断特性,因此时间电流曲线对于定义保险丝非常有帮助。保险丝规格通常会定义100%额定电流以及过载(135%和200%额定电流,取决于保险丝标准)时最大断开时间。时间电流曲线代表设计的均值,但是给定产品每个批次间可能存在偏差,因此一旦保险丝被选定了,需要测试样品来验证实际表现。

 

熔断积分I2t:

保险丝的熔断积分,也称之为熔断值I2t,是实验测试熔断保险丝的熔丝元件所需的能量,该能量值可以作为寿命算法的参考。计算方式主要有2种。

8毫秒算法,脉冲电流施加在保险丝上,测得熔断发生所需的时间,如果没有在8毫秒或更短时间能发生熔断,脉冲电流的值会继续增加,测试直到熔断发生在8毫秒之内。该测试的目的是为了确保积累的热量短时间内不足以从熔丝转移走,从而所有的热量I2t都用于熔断,一旦电流与时间确定下来,熔化所需I2t就很容易计算出。

 

另外一种计算I2t的方法是在10倍额定电流下所测得的时间,算法一样,通过积分得出结果。


如果你有什么题目和技术内容想让 Rambo谈谈,欢迎在这里提出及留言,谢谢!

力特奥维斯Littelfuse 力特于1927年于美国伊利诺伊州芝加哥正式成立。如今,力特已经在行业中建立了广泛和全面的电路保护产品系列和产品线,是世界领先的电路元器件供应商及电路保护品牌。
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