保险丝也被称为熔断器,IEC127标准将它定义为“熔断体(fuse-link)”。它是一种安装在电路中,保证电路安全运行的电器元件。保险丝的作用是:当电路发生故障或异常时,伴随着电流不断升高,并且升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件,也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若电路中正确地安置了保险丝,那么,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,从而起到保护电路安全运行的作用。 最早的保险丝于一百多年前由爱迪生发明,由于当时的工业技术不发达白炽灯很贵重,所以,最初是将它用来保护价格昂贵的白炽灯的。 保险丝的工作原理是怎样的? 我们都知道,当电流流过导体时,因导体存在一定的电阻,所以导体将会发热。且发热量遵循着这个公式:Q=0.24I2RT;其中Q是发热量,0.24是一个常数,I是流过导体的电流,R是导体的电阻,T是电流流过导体的时间;依此公式我们不难看出保险丝的简单的工作原理了。 当制作保险丝的材料及其形状确定了,其电阻R就相对确定了(若不考虑它的电阻温度系数)。当电流流过它时,它就会发热,随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度,保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度,若产生热量的速度小于热量耗散的速度时,保险丝是不会熔断的。若产生热量的速度等于热量耗散的速度时,在相当长的时间内它也不会熔断。若产生热量的速度大于热量耗散的速度时,那么产生的热量就会越来越多。又因为它有一定比热及质量,其热量的增加就表现在温度的升高上,当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断。这就是保险丝的工作原理。 我们从这个原理中应该知道,您在设计制造保险丝时必须认真地研究您所选材料的物理特性,并确保它们有一致几何尺寸。因为这些因素对保险丝能否正常工作起了致关重要的作用。同样,您在使用它的时候,一定要正确地安装它。
保险丝的介绍
最早的保险丝于一百多年前由爱迪生发明,由于当时的工业技术不发达白炽灯很贵重,所以,最初是将它用 保险丝来保护价格昂贵的白炽灯的。保险丝保护电子设备不受过电流的伤害,也可避免电子设备因内部故障所引起的严重伤害。因此,每个保险丝上皆有额定规格,当电流超过额定规格时保险丝将会熔断。当介于常规不熔断电流与相关标准规定的额定分断能力(的电流)之间的电流作用于保险丝时,保险丝应能满意地工作,而且不会危及周围环境。
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能力电流,否则,当故障发生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。当然,劣质保险丝的分断能力达不到标准规定的要求,使用时同样会发生危害。
一般的保险丝由熔体(熔丝)、电极部分、支撑体构成。其中熔丝是最核心的部分,也是最重要的,它的作用是电流异常升高到一定的高度和热度的时候,熔断自身。设计保险丝时如何选择熔丝呢?这涉及到熔丝的发热功率、散热功率、熔点。
一、发热功率和散热功率
当电流异常熔丝的温升达到熔点就会熔断,而温升取决于发热功率和散热功率。熔丝的发热功率与其阻值成正比;熔丝的散热功率的影响因素较多,如介质层的材质、熔丝的分布、空气的流速以及温度差等等。
在同样的故障电流下,发热功率是保持不变的,而散热功率则随着温差的加大而成比例地增大,整个过程是动态的,具体是:加入电流后,一开始由于没有温差,散热功率为0,发热功率大于散热功率造成温度的上升,随着温度的上升散热功率逐渐加大,温升逐渐变慢,这时温度仍是上升的,当达到一定温度时,这时保险丝的发热功率与散热功率相等,温度趋向稳定,这个稳定的温度是最高温度。当出现较大的故障电流较大时,发热功率远远大于散热功率,熔丝熔断,这就是保险丝的工作原理。
1.决定发热功率的因素是电阻因数。熔丝电阻的计算公式:R=ρL/S,其中ρ是电阻率,L是熔丝的有效长度,S是熔丝的横截面积。ρ与熔丝材质相关,如银的电阻率是最小的,合金的电阻率会大,所以在做小电流时会选用合金丝,而非小电流用的是银丝或银包铜的丝。
注:上述的电阻率在一定温度下是恒定的,但在实际工作中熔丝往往有一定的温度,当保险丝通一定的电流后,保险丝发热,其电阻率上升。对于熔断测试仪的选定,恒压源和恒流源差别很大。几乎都是选恒流源,如果错选了恒压源,对于一些熔断性能处于临界的保险丝,有可能会造成小电流熔断试验时间超长。
2.散热功率的决定因素有温差、结构和材质、熔丝的分布。散热功率是和温差成正比的,基于这一点,在做试验时一定要保证环境温度在规定值,否则就会出现试验偏差。结构和材质通常需放在一起讲,因为结构的影响归根到底还是由材质引起的。比如,熔丝悬在空中的结构,其散热小,主要还是因为熔丝周围的材质是空气,空气的散热当然是小的了,当然真空是最好的了。如果不是中空结构,那么希望直接接触熔丝的介质层的隔热效果好一点。从大类上讲PCB板的隔热效果肯定远远好于陶瓷,所以其产品的阻值相应就会小很多。对于陶瓷本身来说,不同成分的陶瓷的散热也是有较大的差异,这部分涉及的面很广。熔丝的分布,我们希望熔丝能集中一定的部位发热,但这对中空结构来说实现不了且必要性也不大,其实所谓其中发热其总得发热功率并没有增加,只是降低了散热效率而已。比如一般的管状保险丝,两端帽的锡含量的多少会影响到散热的快慢。
注:对于像玻璃管保险丝这类产品的熔丝贴壁会造成熔断性能的不一致,主要还是因为贴壁增加了散热效率,从理论上可以计算,当电流规格越小时,其影响因素越大。
二、熔丝熔点的决定因素
1.熔丝的熔点直接和金属有关。不同金属的熔点是不同的。
2.对保险丝用得导电体来说,锡是非常重要的一种金属,因为其熔点低。当它和其他金属在一起时,当锡融化时,另一金属反过来会被锡融解掉,所以整体的熔点会很低。
3.熔点的降低其实也就说明了熔丝不需要很大的发热功率,所以阻值也就大大降了下来。
注:对于保险丝厂家选择熔丝来说,选择一定的电阻率及熔点搭配的熔丝是有很多经验的,这需要根据实际情况。