保险丝（结构、参数及选用 ）

保险丝（结构、参数及选用 ） 保险丝(结构、参数及选用 ) 保险丝(结构、参数及选用 ) 保险丝是一种故意设置在电路中对电流敏感的薄弱环节的元件。在电路正常工作时，它对所保护的电路没有影响，它的电阻很小，最好没有电阻，没有功率消耗。在节能灯中保险丝的阻值基本上没有影响，有时故意使用保险电阻，它既作保险丝，又用来抑制电流谐波失真。当电路出现异常、电流过大或电源被短路时，要求保险丝能将电路快速地同电源断开，不致引起其它元件或电器燃烧。赞成火灾，对使用者的财产、人身安全带来严重的不良后果。因此在电子节能灯及电子镇流器中保险丝对保证安全有着举足轻重的作用，在做产品的安全认证(如 CSA、CUL、TUV……)时，一定要采用已获得国际上知名认证机构认可的产UL、 品，切不可以为小题大做，而冒然采用质次价低的劣质品，更不可在印刷电路板上做一条线宽较细的走线来代替它。那样，一定会给你的产品带来安全隐患，一 旦引发火灾，后果将不堪设想。] 一、保险丝的形状及熔体结构 保险丝的形状有很多种，视使用场合的不同而不同，如图4-16所示。 图4-16 各种形状的保险丝外形图 最常见的形状为管状，带或不带引线，管内有熔体，如图4-17所示。 保险管可以是玻璃管(低分断能力)或陶瓷管(高分断能力)，在陶瓷管内有时还填充纯净的颗粒状石英砂以用于灭弧，有的玻璃还可以变色，以指示熔体 是否熔断。 节能灯中最常用的保险丝就是图4-17所示的那种，有时还需要在玻璃管及引线上加热缩套管与周围元件绝缘，以免金属套管及引线造成其它元件短路。不好的保险丝容易在受到温度和机械震动的影响，经过整机的老化、储存一段时间后，金属帽与玻璃管之间开路，造成整灯不亮。对于这一点，一定要引起注意。 保险丝除管状外，还有形状如晶体管，超小型电阻微型保险管，为表面安装用的文头超微型及粘着型保险丝，粒状型、薄膜型保险丝，为了汽车工业专用的 薄片插入式保险丝，螺栓式及报警式保险丝等。 还有一种由正温度系数(PTC)塑料聚合物制成的可恢复式保险丝，它是由非导电的聚合树脂及一咱高电导率的碳黑所组成。在正常工作时，碳黑高导体紧密地连结成晶状，形成一条低电阻的导电通路让电流流过。而在过电流时，碳黑结晶随着温度的增高而分解，聚合物的电阻突增，造成开路，切断电流，对电路起到保护的作用。当过电流被解除，PTC聚合物冷却，碳黑重又组成结晶体，电 阻随之降低，电流又可通过。这种保险丝称作自复式或可恢复式保险丝，因为它的电阻是随温度的增加而上升的，故是一种正温度系数的材料。这种保险丝对温 度十分敏感，在选择其参数时，必须考虑环境温度对它的影响。 保险管内装有熔丝体，它是一种热敏感元件。低压熔丝铅锑合金、铅锡合金和铜丝三种，其结构形式有多种:如圆丝、扁丝、单丝、双丝、复合丝、直线状、波浪状、锯齿状及片状等。此外，还有组合式熔体、熔丝缠绕、加锡球或加金属 征、电阻等。 根据熔体熔断特性的不同，可以把保险丝分为超快熔断型、快熔断型(延时型)三类。前两种常用在电阻性负载电路中，保护一些对电流变动特别敏感的元器件。延时型保险丝，一般有附加的热惯性，能承受正常启动时的过载电流。它用在电路状态变化有较大浪涌电流的的感性或容性电路中，能经受开机或关时出现的浪涌脉冲电流的冲击不至熔断，而当电路出现故障或异常现象时，能较快地 断开电路，达到保护的目的。 对于低功率因数电子节能灯或电子镇流器，交流电源通过整流二极管组电解电容充电。在初次开机时，电解电容上还没有电荷，可以视为短路，此时交流电源对电容的充电电流是很大的，形成浪涌脉冲电流，比正常值大几倍或十几倍，为几安培或十几安培。电解电容器的容量越大，浪涌电流越大，持续时间也越长， 所以在电子节能灯中一般要选用慢断型保险丝。 二、保险丝的性能参数 为了正确而合理地选用保险丝，必须对保险丝各项性能参数有一个大到致的 了解。 1.额定电压 额定电压是指保险丝断开后所能承受的最大电压。保险丝通电后，其两端所承受的电压远远小于其额定电压，因此额定电压基本上无关紧要。在选用保险丝的额定电压时，一般均要求其额定电压等于或大于有效电路电压。这样220V的保险丝显然可以有于110V/120V/127V的电路中。在低压直流电子电路中也可以 使用交流保险丝。 2.额定电流 额定电流是保险丝能长期工作的最大电流值。 假设所保护电路工作电流为，应该选用保险丝的额定电流为，则两者间 应满足以下条件: (4-13) 为对于不同规范的保险丝的折减率，对IEC规范的保险丝可以不加折减 率，即=1，对UL规范的保险丝，折减率=0.75。 为考虑环境温度后的折减率，环境温度越高，保险丝工作时就越热，寿命也就越短。这里要着重说明的是:环境温度是指环绕熔丝周围的空气温度，不应与室温相混淆。在许多实用场合，熔丝的温度是很高的，因为熔丝是封闭的。不管是UL规范，还是IEC规范，保险丝的各项要求都是在室温25?条件下制作的，如果环境温度高于25?，就必须考虑加一定的折减率。显然，环境温度不同，保险丝的温度折减率也就不同。在图-18中给出美国力特(Littlefuse)公司提供的不同特性的保险丝在不同温度下的折减率，曲线A对应于慢熔断丝，曲线B对应于特快熔断、快熔断保险丝和螺旋式绕制的保险丝，曲线C对应于PTC塑料聚合物自复式保险丝。因为熔断保险丝采用的熔体材料具有较低的熔化温度，对环境温度比较灵敏，其折减率较大，而聚和自复式保险丝对温度十分敏感，所以 它随温度的折减率最大。 采用折减率后，既能保证所设计的电路安全运行，又能使保险丝长寿命地工 作。 例如，某电路正常工作电流为1A，采用慢熔断型UL规范的保险丝，要求该 保险丝长期工作于90?的环境下，则所选用的保险丝的额定电流应为 图4-18 保险丝的温度折减率 由图4-18知，对曲线A在90?时，折减率=0.70 推荐用2A的保险丝。 很显然，选用的保险丝额定电流太大，遇到异常情况时，保险丝很难熔断，达不到保险的目的。如选用的保险丝的额定电流太小。在电路开关的瞬变过程中即使未遇到异常情况，保险丝也会熔断。保险丝如长时间在高温下工作，它能够 承受在开关次数便会有所降低。在电子节能灯中，我们对保险丝的选择尤应持慎重态度，如果选用的额定电流太小，在开关过程中，会出现保险丝过早熔断情况，给消费者以节能灯存在质量问题的错觉;反之，如果所取额定电流太大，在异常情况下保险丝又不能熔断，就会出现不安全的隐患。最好根据厂家所提供的参数，结合节能灯电路的具体情况，通过批量生产、高温高压老化实验后来确定保险丝 的额定电流值，做到既安全又保险。 3.冷电阻/电压降 一般保险丝的电阻值与额定电流成反比。在保护电路中要求保险丝的阻值越 小越好。保险丝的阻值越小，它的损耗的功率也就越小。 保险丝的冷电阻是指在小于额定电流10%的条件下测理的电阻值。保险丝的压降是通以直流额定电流使保险丝达到热平衡后所测到的电压读数，因此保险丝 的电压降和冷电阻是可以互相换算的。 小规格的保险丝的冷电阻对低压电路的影响较大，在极端情况下，会使低压电路无法输出所需的工作电流。但是，一般保险丝的额定电流超过1A时(丝的直径较粗)，其标称冷电阻值是很小的，只有零点零几欧姆，对电路基本上没有影响。特别是对电子节能灯和电子镇流器来说，这个参数是无关紧要的，可以无 需考虑。 4.电流一时间特性 电流一时间特性又称I-T特性或定一秒特性。在手册中均以曲线形式给出，或者列表给出曲线上若干关键点，用它来反映保险丝的过载性能或熔断特性。 大家知道，当流过保险丝的电流超过其额定电流时，熔丝的温度会逐渐上升直至最后熔断。时间一电流特性曲线给出了某种规格保险丝在不同的过载电流下所对应的熔断时间的平均值。同一类型不同规格的保险丝，它们的I-T特性具有相似而又不同的形状，如图4-19所示。图中给出力特(Little fuse)公司2AG 小玻璃管(4.5?×15?)快熔断保险丝的平均时间一电流特性曲线。 这个曲线说明保险丝不但具有一定的过载能力，而且当通过超过限量的过载 电流时，保险丝又能及时熔断。 不同型号的保险丝，过载能力是不同的。UL规范的保险丝，最大不熔断电流是110%，IEC规范的保险丝，最大不熔断电流是150%或120%。UL规范的保险丝，最小熔断电流在130%左右;IEC规范的保险丝，最小熔断电流在1 50%左右。 图4-19 保险丝的熔断特性 通常工厂手册中给出保险丝的熔断特性表，来具体保险丝在某些测试电 流下的熔断时间范围，这是验收保险丝的最主要依据。 UL规范规定了110%、135%和120%等测试点。IEC规范规定了150% 120%)、210%(200%)、275%、400%和1000%等测试点。 ( 以上述2AG(4.5?×15?)快熔断保险为例，其熔断特性如表4-14所示。 -14 熔断特性表 表4 额定电流百分比 断路时间 最小4h 110% 最大1h 135% 最大1S 200% 5.分断能力 当流经保险丝的电流相当大甚至电路短路时，仍要求保险丝能安全地分断电 路而不带来任何破坏性。 保险丝的分断能力取决于保险丝的结构和所用的材质。一般玻璃壳体的保险丝的分断能力较低，而陶瓷壳体的分断能力较强。当过载电流不超过最大分断电流时，保险丝不能出现破碎、爆炸、喷溅以及引起周围人身不安全的情况，或出 现使其它元器件燃烧、损坏等现象。 额定分断能力和保险丝的额定电流、负载电压大小直接有关。额定电流越大， 分断能力也越大，当负载电压增高时，分断能力将下降。 6.熔化热能量 当被保护电路有容性或感性储能元件时，则电路的接通或断开会在电路内产生浪涌电流(如节能灯的输入整流电路)，来自外界的雷电或其它强脉冲干扰，也会有持续时间很短的大电流脉冲注入系统。这种持续时间短(,10ms)，电流幅度很大强脉冲对保险丝是有害的，因为电脉冲产生热量会造成保险丝的机械疲劳，从而影响熔化的寿命甚至提前失效，在这种情况下最好使用延时使用延时 保险丝。 为了说明保险丝能否承受短时间大电流脉冲的冲击而仍能正常工作的能力，对熔丝提出了熔化热能值这一参数。它是熔丝熔化所需能量的一种度时，读 作它培平方秒。对每一种熔丝来说，这个参数是个常量，仅取决于熔丝的材料及其形状，与温度及电压无关。制造厂家对每种熔丝设计都进行过实验测试，以确定其标称的熔化热能值，并且在手册中给出。在选择保险丝时，也要考虑这 个参数，下面通过例子来加以说明。 例4-4 试选用一种特快类保险丝，要求它能承受图4-20所示的电流脉冲的 100，000次冲击，其正常工作电流为0.75A，环境温度为25?。 图4-20电流脉冲实例 解:(1)首先要计算所给脉冲波形(图4-20)的 已经知道，典型的脉冲电流值的计算方法存在一些经验公式 ，图4-21 给出了脉冲波形及其相对应的计算公式。 本例中脉冲波形与波形E相近，按经验公式脉冲的值 (2)计算保险丝所要求的值 保险丝所能承受的脉冲循环次数和它实际承受的熔化热能值与本身的标称熔化热能之比有关，实际承受的熔电热值越小，即比值越小，它能承受的脉冲循环次数越多，在图4-22中给出了能承受的脉冲循环次数与比值关系。 图4-21 典型脉冲波形及其值的的似计算公式 图4-22 承受过程间必须留有足够的时间(10s)以使前一过程产生的热量能 够散失 由图4-22可知，要承受100，000次脉冲冲击，脉冲的值应为保险丝标 称熔化热能值的22%，即保险丝的标称熔化热能值 =脉冲的==0.233() (3)根据工作电流=0.75A，环境温度为25?，按公式(4-13)，选择保 险丝的额定电流。 选择一种125V特快熔断类保险丝，在Little fuse公司的产品手册中，其编号为251001，查得其=1A，标称值为0.281，满足步骤(2)中所计算出来的0.233值(只要大于或等于该值即可)，因此这种选择是合适的。下一个步骤是选择一些样品在实际电路中进行验证，看是否真正能满足所提出的 一些要求。 有时在选择保险丝的熔化热能值时还要给一些余时，例如可选择有3倍 的余量。 另外，我们还要介绍一种在电子节能灯或电子变压器常用到的温度保险丝， 它又称为热熔断体(Thermal Cutoff)，其结构如图4-23所示。 图4-23 热熔断体的结构图 两条金属引脚的上端连接一段低熔点的全金丝，封装在塑料外壳内并用树脂封口。当温度保险线的周围温度上升到它的动作温度时，其易熔的合金丝熔化，在表面张力及特殊树脂帮助下收缩成球状(如图4-23(b)所示)，并附着两条 引脚的末端，这样电路就被永久切断。 每一个温度保险丝都有额定的电气及温度参数，如额定动作温度、保持温 度、极限温度、额定电压及额定电流等。 因为这类保险丝是温度敏感器件，如焊接温度过高、焊接时间过长、引脚过短都会使热量通过引脚传入保险丝内部，使感温元件受损(如受热变脆弱、变细， 与引脚连接的可靠性降低)而提早失效。 固定保险丝时，不要施加过大的压力于壳体、封口树脂或引脚上，也不能将其引脚剪得太短，或靠近引脚的根部弯曲，这些都会损坏保险丝，或引起应力集 中在引脚上。