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元器件基础知识之保险丝
最近利用空余时间，查看了一些有关保险丝方面的资料，结合自己以前设计产品的经验，写了这篇文章，希望对想了解这方面资料的人有用，同时也希望各位大虾们拍砖。 保险丝是电源产品中最基本，也是涉及安全问题的一个重要的器件。它在电源工作异常时，自动熔断，为产品及人身安全提供了保障。所以正确选择保险丝是很重要的。合适的保险丝应该是既能保护产品及人身安全，又能够在产品正常使用过程不会熔断，造成产品失效。要使用好保险丝，就必须了解保险丝的基本特性。 保险丝也称为熔断器，IEC127标准将它定义为熔断体（fuse-link)。它通常是串联在电路中的，其作用是要来保护某些重要器件或电路异常时，防止电路烧毁。当电路正常工作时，保险丝只相当于一根导线，能够长时间稳定的工作；当电源或外部干扰而发生电流波动时，保险丝也能承受一定范围的过载；只有当电路中出现较大的过载电流，如故障或短路时，保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，保护电路安全运行。最早的保险丝于一百多年前由爱迪生发明，用来保护当时价格昂贵的白炽灯的。现在保险丝是由电阻率比较大而熔点较低的银铜合金制成。最初用铅锑合金做的保险丝已因安全原因被淘汰。 保险丝的工作原理是其自身存在一定的阻值，当有电流流过时，就会产生热量。在负载正常工作电流或允许的过载电流时，电流所产生的热量通过辐射、对流和传导等方式散发热量，达到平衡；当散热速度跟不上发热时，这些热量就会在熔体上积蓄，使熔体温度上升，一旦温度超过熔体的熔点时，就会使其熔化，从而断开电流，起到安全保护的作用。 一般保险丝由三个部分组成：1、熔体部分，它是保险丝的核心，熔断时起到切断电流的作用；2、电极部分，通常有两个，它是熔体与电路联接的重要部件，必须有良好的导电性，接触电阻尽量小；三是支架部分，保险丝的熔体一般都纤细柔软的，支架的作用就是将熔体固定并使三个部分成为刚性的整体便于安装、使用，必须有良好的机械强度、绝缘性、耐热性和阻燃性，在使用中不应产生断裂、变形、燃烧及短路等现象； 除上述结构外，有些保险丝还有其它特殊的装置，如电力电路及大功率设备所使用的保险丝，具有灭弧装置，因为这类保险丝所保护的电路不仅工作电流较大，而且当熔体熔断时其两端的电压也很高，往往会出现熔体已熔断甚至已汽化，但是电流并没有切断，其原因就是在熔断的一瞬间在电压及电流的作用下，保险丝的两电极之间发生拉弧现象。这个灭弧装置必须有很强的绝缘性与很好的导热性，且呈负电性。石英砂就是常用的灭弧材料。另外，还有一些保险丝有熔断指示装置，它的作用就是当保险丝动作（熔断）后其本身发生一定的外观变化，易于被发现，例如：发光、变色、弹出固体指示器等。
按类型分为：电流保险丝（即通常所说的保险丝），温度保险丝（响应于用电电器温升的升高，不会理会电路的工作电流大小），自恢复保险丝（可重复使用，故障排除后可以自行恢复，不需要更换器件。通常由聚合物基体及使其导电的碳黑粒子组成。其原理为：当有过大的电流通过聚合物自恢复保险丝时，产生的热量将使其膨胀。从而将碳黑粒子分开、自恢复保险丝的电阻将上升，加速自恢复保险丝产生热量和膨胀，这样又进一步导致电阻升高，相当正反馈。当温度达到125°C时，电阻变化显著，从而使电流明显减小。此时流过聚合物自复保险丝的小电流足以使其保持在这个温度和高阻状态。当故障清除后，聚合物自复保险丝收缩至原来的形状，重新将碳黑粒子联结起来，阻值恢复为低阻状态。） 按材质分：玻璃管保险丝，陶瓷管保险丝，环氧树脂保险丝，晶片保险丝 。 保险丝的主要参数： 1、额定电流（Normal operating current）：又称保险丝的公称工作电流，代号：In。是指在正常条件下，保险丝长期维持正常工作的最大电流。它是由制造部门在实验室的条件下所确定的，它并不是熔断电流。事实上保险丝有一个“熔断系数”其值大于“1”，根据认证标准的不同而不同，一般在1.1至1.5之间，它是“常规不熔断电流”与“额定电流”的比值。由此可以看出，只有电流超过“常规不熔断电流”（即“熔断系数”ד额定电流”）时，才发生熔断现象。 2、额定电压（Application Voltage, AC or DC）：又称保险丝的公称工作电压，代号：Un。保险丝的额定电压是从安全使用保险丝角度提出的，是指保险丝断开时，能安全承受的最大电压。选用保险丝时，被选用保险丝的额定电压，应大于被保护回路的输入电压，只有这样保险丝才能安全有效地断开，否则，在保险丝熔断时，可能会出现持续飞弧和被电压击穿而危害电路的现象。 3、分断能力（Breaking capacity）：又称额定短路容量，代号：Ir。是指保险丝能安全切断电路的最大电流（交流时为有效值）。它是保险丝重要的安全指标之一，电路的预期故障电流必须小于标准规定的额定分断能力电流，否则，当故障发生保险丝熔断时会出现持续飞弧、发生喷溅、燃烧、爆炸等危及周围元器件甚至人身安全的现象。 对于分断能力，欧标规定了3种熔断容量等级(breaking capacity levels)，基于其额定电压数值不同而不同。额定电压是32V～63V的部份必须通过35A或10倍额定电流之最大者的测试，额定电压是125V的部份必须通过50A或10倍额定电流之最大者的测试，额定电压是250V的部份进一步定义是低(low)、增强型(enhanced)或高(high)熔断容量：(1)low breaking capacity fuses:必须通过100A或10倍额定电流的测试；(2)enhanced breaking capacity fuses: 必须通过150A的电流测试；(3)high breaking capacity fuses: 必须通过1500A的电流测试。但是美标是按安培数来区分的：（1）10mA～15A：10000A/125VAC；（2）10mA～1A：35A/250VAC；（3）1.25～3.5A：100A/250VAC；（4）3.75A～10A：200A/250VAC；（5）10.1A～15A：750A/250VAC。 4、过载能力：保险丝能在规定时间内维持工作的最大过载电流。当流经保险丝的电流超过额定电流时，一段时间后熔体温度将逐渐上升以至最后被熔断。 UL标准规定：保险丝维持工作4小时以上，最大不熔断电流是额定电流的110%（微型保险丝管为100%），IEC标准规定：保险丝维持工作1小时以上，最大不熔断电流是额定电流的150%。 5、熔断特性（I-T）：保险丝所加负载电流与保险丝熔断时间的关系，也称为安-秒特性。通常有两种表达方法： （1）熔断特性曲线（I-T曲线）：在以负载电流为X轴，熔断时间为Y坐标构成的坐标系内，由保险丝在不同负载电流下的平均熔断时间坐标点连成的曲线。每一种型号规格的保险丝都有一条相应的曲线可代表其熔断特性，这种曲线很好地描绘了保险丝的过载性能。可供保险丝选用时参考。
（2）熔断特性表：由几个规定的具有代表性的负载电流值和对应的熔断时间范围所组成的表格。各安全标准都已明确规定，可最为检测保险丝的依据。例如IEC127和UL/CSA248-14的熔丝断开时间:
6、熔化热能值（I2T）：使保险丝的熔断体熔化，部份汽化的切断电流所需要的公称能量值，即保险丝熔断所需的最小热能值。代号：I2T，读为“安培平方秒”，它对于每一种不同的熔丝来说是个常数，是熔丝本身的材质和规格所决定的。总量I2t=熔化I2t+飞弧I2t，其中熔化I2t（相当于IEC标准中的预飞弧I2t），指从熔体熔化到飞弧开始瞬间所需要的能量；飞弧I2t是指飞弧开始瞬间到飞弧最终熄灭所需要的能量。对于低压保险丝来说，飞弧时间非常短，常可忽略，即飞弧I2t可以按零计算。 UL和IEC都未对I2t作要求，但通过I2t有助于保险丝的选用。在测试过程中，先给保险丝施加一个电流并测量融化发生的时间，如果超过8ms不发生熔断，就增加脉冲电流的强度，重复实验直到保险丝的熔断时间在8ms或以内（薄膜保险丝是1ms或以内）。之所以要在8ms内熔断是确保所产生的热能没有足够的时间从保险丝部件通过热传导跑掉，其热能全部都用于熔断保险丝。 7、电压降（Ud）：在额定电流条件下，达到热平衡后保险丝两端的电压差。代号：Ud。 它反映了保险丝的内阻，其值不应过大。由于保险丝两端电压降对电压电路会有一定的影响，因此在欧标里，对电压降有明确规定，不仅有其值的上限规定，而且对其一致性也作了规定。 8、保险丝电阻（Rn）：通常分为冷态电阻和热态电阻。代号：Rn。冷态电阻是保险丝在25℃下，通过小于10%的额定电流，作为测试电流所测得的电阻值。热态电阻则是以全额额定电流为测试电流所测得的电压降转化过来的，即R热=Ud/In。大部分的保险丝是用正温度系数材料制成，所以一般热电阻比冷电阻要大。保险丝的电阻在整个电路中并不十分重要，但安培数小于1的保险丝的电阻会有零点几欧，所以在低电压电路中应考虑这个问题，在实际应用中，规格书中常用电压降，来表达热态电阻。 9、环境温度：保险丝是温度敏感元件。其电流承载能力，是在环境温度为25℃情况下测得的，环境温度越高，保险丝的工作温度就越高，保险丝的电流承载能力就越低，寿命也就越短。相反，在相对较低的温度下会延长保险丝的寿命。实际选用保险丝管时，应考虑保险丝管周边的环境温度。环境温度对保险丝管承载能力及5In熔断时间的影响如图所示。
10、各国安全认证机构的代号: 澳大利亚（DVE），英国（BSI），芬兰（FI），丹麦（DEMKO），爱尔兰（IE），德国（VDE），瑞士（SEV），挪威（NEMKO），比利时（CEB），瑞典（SEMKO），法国（UTE），意大利（IMQ）,中国(CCC），奥 地 利（OVE），加拿大（CSA），西班牙（AEE），希腊（ELOT），以色列（SII），日本（PSE），韩国（KAITECH），荷兰（KEMA），印度（BIS），新加坡（SISIR），匈牙利（MEEI），美国（UL）。 通过上述的讲解，对保险丝各参数已经有了一定的了解。接下来谈谈在实际应用中，如何选择保险丝： 1、认证要求：根据产品将销售的市场要求，选定保险丝管的安全认证标志及安全标准,如UL，IEC标准。有时产品可能同时销往好几个地区，为了产品的一致性，应在产品开发之初就考虑进去，免得后期销售时，再更换保险丝，简化生产过程。 2、确定外型尺寸：根据成本，生产装配方式（手插，电插，贴片），安装空间等，确认保险丝管的外型尺寸。 3、确定型号及确认最大额定电流：根据被保护回路的电流特性，选定保险丝的型号。如果电路中的电流恒定，或浪涌电流较小，且电路中存在抗冲击脆弱元器件，则使用快速熔断型保险丝；如果电路存在较大的开机电流，冲击电流或浪涌电流等，则使用延时熔断型保险丝。在具体参数的选择上，根据电路的保护需求（故障状态下，允许不正常电流的大小及存在的时间），来确定保险丝管熔断的电流及持续时间。可参考相应型号的I-T特性，得到满足要求的最大额定电流。 4、确定分断能力：根据最大故障电流（通常为输入端，过保险丝后短路时的电流）必须小于标准规定的额定分断能力电流。 5、确定额定电压：根据被保护回路的输入电压，确定保险丝管的额定电压及选定是使用AC规格的保险丝，还是DC规格的保险丝。选用保险丝的额定电压必须等于或大于输入电压，但考虑成本因素，不必选用过高的额定电压。 6、确定最小额定电流：根据被保护回路的稳态工作电流及相关的使用折损系数（正常工作状态下），确定保险丝管的额定电流。不同认证的保险丝，对额定电流的降额使用有所不同：UL的保险丝，在25℃下，实际使用时应小于标称值的75%使用。IEC的保险丝，在25℃下，实际使用时可按标称值的90%或100%使用。另外，在实际使用中，由于受工作环境温度的影响及长期的老化等因素的干扰，在实际使用中还应在留出85%的裕量，所以保险丝额定电流应有如下关系式：额定电流>=稳态工作电流/（0.75*0.85），而且还必须小于第3点所说的最大额定电流值。 7、确定保险丝的最小I2t：根据被保护回路的电流脉冲I2t值，确定保险丝的I2t。由于电流脉冲产生热循环，产生机械疲劳影响保险丝寿命。设计时应使脉冲I2T远远小于保险丝管标称熔化热能I2T。保险丝寿命（可承受的脉冲循环次数）与脉冲I2T值关系，如表所示：
为保证保险丝能承受10万次以上的冲击，保险丝的I2t应有如下关系：保险丝的I2t>=回路的脉冲I2t/0.22。回路中的脉冲的I2t值，可以参考以下典型脉冲波形的I2t值近似计算得到。
通过以上几点选择好的保险丝，最后还需要在实际电路上进行测试验证，验证包括正常工作条件下的开关机、老化及故障状态下的过载、短路等。
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