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简介:熔丝学熔丝学是让我们增加和更好地掌握有关熔丝及熔丝应用诸方面的详细知识.熔丝是故意设置在电路中对电流敏感的薄弱环节,其主要功能是在各种电流负荷条件下的安全可靠地熔断从而为各分立元件或整个电路提供保护.本 ...
测试耗材

熔丝学   

熔丝学是让我们增加和更好地掌握有关熔丝及熔丝应用诸方面的详细知识.熔丝是故意设置在电路中对电流敏感的薄弱环节,其主要功能是在各种电流负荷条件下的安全可靠地熔断从而为各分立元件或整个电路提供保护.本熔丝学包括熔丝的一些重要特性,选择熔丝时需考虑的种种条件,及各种标准.

熔丝特性   

为了能够对某一特定的实用场合选用一种合适的熔丝,用户应很好地掌握熔丝的下列特性及实用方面的一些概念。

  环境温度: 指直接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,熔丝的温度相当高,这是因为熔丝是封闭着的(如装在配电板的固定架中),或安装在其他发热元件,如电阻、变压器等附近。

  分断能力:见熔断额定值。

  电流额定值:标注在熔丝上的公称安培数。该数值为熔丝所能承载的电流并由制造商根据一系列经控制的试验条件所确定(见“额定值的减少”)。

  熔丝产品目录号码包括系列标志和安培参数。参见“熔丝选择指南和时间电流曲线”中关于进行正确选择指导的诸项内容。

  额定值的减少:在25℃环境温度下,我们推荐熔丝的工作电流不应超过公称电流值的75%,这是因为该公称电流值是采用经控制的试验条件确定的。这些试验条件是美国保险商实验室标准198G“辅助过流保护用熔丝”的一部分,其主要目的是要规定出为连续控制用于防止火灾等用途的制成元件所必须的共同检测标准。这些检测标准常见的变动因素包括:完全封闭的熔丝座,高接触电阻,空气的流动,瞬时峰值,以及连接电缆尺寸(直径与长度)方面的变化。熔丝实质上是温度敏感元件。即便所控制的检测条件发生变化很小也会极大地影响熔丝的预期寿命,特别是当负荷为其公称值时。公称值通常表示为100%额定值。

  电路设计工程师应清楚地了解,设置这些经控制的检测条件的目的是使熔丝制造商能够使其产品的性能标准保持统一,因此他必须清楚使用熔丝时的各种变化条件。为了补偿这些变化,电路设计工程师在为其设备设计即安全可靠而寿命又长的保护电路时,加给熔丝的负荷通常不应超过制造商所列公称额定值的75%。而且,必须提供足够的过载和短路保护。

  熔丝是温度敏感元件,其各个参数是在25℃环境温度下确定的。熔丝通过电流时产生的熔丝温度随着环境温度的改变而升高或降低。

  “熔丝的选择”一节中的“环境温度”图表明了环境温度对某一熔丝公称电流额定值的影响。大多数传统的慢断(Slo-Blo)熔丝其设计采用的材料具有较低的熔化温度,因此,对环境温度的变化比较敏感。

  尺寸:除非另有规定,尺寸以毫米为单位,本产品目录中熔丝尺寸的范围从最小的0603电路片尺寸(1.60mm长*0.79mm宽*0.46mm高)到最大的5AG。5AG通常也叫做“微型”熔丝(10.3mm直径*38.1mm长)。在以往年代中不断开发出了多种新产品,促使熔丝的尺寸不断演变以满足各种电路保护的需要。最初的熔丝是很简单的易断线元件。后来在十九世纪出现了爱迪生发明的把细导线封闭在台灯座里的第一个插塞式熔丝。到1904年,美国保险商实验室建立了尺寸和额定值的各项规格以符合安全标准。1914年出现了可再用型熔丝和汽车用熔丝。1927年有些公司开始为初露头角的电子工业制造安培值很低的熔丝线 。

  下表中的熔丝尺寸从早期供汽车使用的玻璃熔丝开始,其中有“AG”这个标记,A代表汽车,G代表玻璃,即Automobile Glass.AG前面所用数字是按年代的顺序确定的,因为每一种新的规格尺寸的熔丝都是由不同的制造商开始生产的,例如“3AG”是第三种投放于市场的熔丝尺寸。其他各种非玻璃熔丝的尺寸及结构虽然是由功能要求确定,但仍保留了玻璃熔线的长度或直径尺寸,其标记改为AB,以代替AG,表示熔丝的外管是用酚醛塑料、玻璃纤维、陶瓷或除玻璃以外的类似材料制造的。下表中所示的最大尺寸的熔丝是5AG,即“微型”,这个名称是由美国电气工业及国家电气编码范围所采用。美国国家电气编码范围通常把14.3mm*50.8mm的熔丝看作是使用中最小的标准熔丝。

熔丝尺寸
尺寸
(英寸)直径(mm)
(英寸)长度(mm)
1AG
1/4
6.35
5/8
15.875
2AG
0.177
4.50
0.588
14.94
3AG
1/4
6.35
1 1/4
31.75
4AG
9/32
7.14
1 1/4
31.75
5AG
13/32
10.31
1 1/2
38.1
7AG
1/4
6.35
7/8
22.23
8AG
1/4
6.35
1
25.4

  熔丝性能:熔丝设计方面的性能是指熔丝对各种电流负荷作出迅速反应的程度。熔丝的性能通常可分成三类:超快熔断型、快熔断型和慢熔断型三类。慢熔断型熔丝的特点是这类熔丝设计有附加的热惯性以承受正常启动时的过载电流增量。

  熔丝结构:内部结构会随着安培额定值的不同变化而有所变化。本产品目录中的熔丝照片给出了熔丝系列中特定安培额定值的熔丝的典型结构。

  熔丝座:在许多实用场合,熔丝被安装在熔丝座中。熔丝及其辅助的熔丝不是当作形状以接通或切断电源的。

  熔断额定值:也称为分断能力或短路额定容量。熔断额值是熔丝在额定电压下能够确实在熔断的最大许可电流。短路时,熔丝会多次通过比其正常工作电流大的瞬时过载电流。安全运行要求熔丝保持完整的状态(无爆裂或断裂)并消除短路。

  熔断额定值随熔丝的设计不同而有所变化,从250V,公制尺寸(5*20mm),35安培AC的熔丝到600V,KLK系列的200,000安培AC的熔丝。用户可从生产厂家得到有关其他系列熔丝的资料。

  按照UL标准198G分类的熔丝,其熔断额定值必需为10,000安培。也有些例外情况(见“标准”一节),这些例外情况的熔丝在许多实用场合具有大大超过可能出现的短路电流的安全指标。

  干扰断路:干扰断路常常是由于对所设计的电路分析不全面造成的。在“熔丝选择指南”中所列出的所有因素,必须特别注意其中1、3和6这三项,即正常工作电流、环境温度和过载增量。例如,造成常规电源干扰断路的一种常见的原因是没能充分考虑熔丝的公称熔化热I2t能额定值。不能只根据正常工作电流和环境温度来选择熔丝。在使用条件下,熔丝的公称熔化热能I2t额定值也必须满足由电源平滑滤波器输入电器电容产生的各种涌入电流对熔丝提出的要求。在“熔丝选择指南”中给出了各种波形转换成I2t电路需求的波形的步骤。对于安全可靠,寿命又长的熔丝保护来说,良好的设计作法是选熔丝时,涌入电流波形的I2t不大于该熔丝的公称熔丝热I2t能额定值的20%。请参考“熔丝指南”中的“过载增量”。

  电阻:熔丝的电阻在电路的整个电阻中并不重要。由于安培数小于1的熔丝的电阻只有几个欧姆,所以在低压电路中采用熔丝时应考虑这一因素。用户可从制造厂家得到熔丝的实际电阻值。大部分熔丝是用正温度系数材料制造的,因此,我们常常会提到冷电阻和热电阻(额定电流下的电压降)。实际的工作电阻位于其间。用不大于熔丝公称额定电流百分之十的测量电流可测得冷电阻。本刊物中给出的冷电阻数值为公称的而且是典型的。如果此参数对设计分析来说是极限值的话,那么用户应向生产厂家咨询。热电阻的测定根据熔丝上流过的电流值等于公称额定电流时产生的。有关熔丝的电阻数据我们承索即寄。我们可按用户规定的电阻控制公差提供熔丝,对此得收取附加成本费。

  短路容量:参见“熔断额定值”。

  焊接注意事项:因为大多数熔丝的结构中有焊接接头,因此当打算用焊接方法安装这些熔丝就位时应当十分小心。焊接时热量过多会使熔丝内的焊料回流而改变其额定值。熔丝是类似于半导体的热敏感元件,因此,推荐用户在焊接时使用吸热装置。

  抽样注意事项:因确定某些规格的合格与否要求破坏性检测,所以,对每一批制成品都要依统计学的原理采用抽样的检测方法。

  时间-电流特性曲线:作为熔断特性的图形表示,时间-电流特性曲线一般是中间曲线,我们给出此曲线是作为设计的辅助手段,而不是作为熔丝规格的一部分。时间-电流特性曲线在选择熔丝时极为有用,因为具有相同额定电流值的熔丝可能有相当不同的特性曲线。熔丝规格中一般包括工作电流为百分之百或百分之一百一十额定值时的寿命要求及过载电流(通常为额定值的135%或200%)时的最大断路时间。检测某些项规格的合格与否要进行破坏性检测。对于每一批制成品来说都要依统计学的原理来进行破坏性检测。时间-电流特性曲线给出设计所需的平均数据。然而,对任何一批特定的产品,该平均值可能有些差异,因此一旦选定了一种熔丝,就应测试一些样品以鉴定其性能。

  美国保险商实验室:请参阅“保险商实验室分类”。熔丝必须满足保险商实验室标准的各项要求,即“辅助过流保护用熔丝”No198G的规定。本产品目录中一些32伏特熔丝是按照UL标准275分类的。而“保险商实验室元件大纲获得认可”是表示该产品根据美国保险实验室元件大纲获得认可的应用鉴定书。

  电压额定值:标注在熔丝上的电压额定值表示该熔丝在电压等于或小于其额定电压的电路中完全可以安全可靠地中断其额定的短路电流。电压额定值系列包括在美国N.E.C规定中,而且也是保险商实验室的一项要求,作为防止火灾危险的保护措施。对于大多数小尺寸熔丝及微型熔丝,熔丝制造商们采用的标准电压额定值为32、125、250、600伏。

  在带有相对低输出电源和短路电流值小于熔丝电流额定值十倍的电子设备中,常见的作法是规定电压额定值为125或250伏特的熔丝可用于500伏特或更高电压的次级电路保护。

  如前所述,(参见“额定值的减少”)熔丝是对电流的变化而不是对电压的变化敏感。熔丝在从零到其最大额定值间的任何电压下都保持其原状。电路电压及有效功率直到熔丝熔化并且发生电弧时才会成为问题。电路的安全熔断与电路电压和有效功率有关,在“熔断值”中已加以讨论。

  概括而言,熔丝可以在小于其额定电压的任何电压下使用而不损害其熔断特性。如果在完全短路的条件下熔丝上出现的最大功率电平只能产生低能量的非破坏性的电弧的话,那么熔丝可在高于其经过检定的电压额定值的各种电压下使用。

  公称熔化性能I2t的推导:对每一项熔丝设计都进行实验室测试以确定熔化断部件所需的能量。该能量被称之为公称熔化热能I2t。测定方法是给熔丝施加一个电流增量并测量熔化发生的时间。如果在约为0.008秒或更短的时间内不发生熔化,那么就增加脉冲电流的强度。重复进行这一测试步骤直至熔丝部件的熔化限制在大约0.008秒之内。进行这一测试步骤的目的是确保所产生的热能没有足够的时间从熔丝部件通过热传导跑掉。也就是说,全部热能(I2t)都用于熔化。一旦确定了电流(I)和时间(t)的测定结果,计算熔化热能I2t就很简单了。当熔化过程结束时,先出现电弧,紧接着熔丝就断开了。本刊物中给出的公称I2t值属于“消除”即“断开”的熔化状态的那一区段。

 

熔丝选择指南 

保险丝选择过程中所涉及的诸多因素罗列如下:

  1.正常工作电流;

  2.应用电压(AC或DC);

  3.环境温度;

  4.过载电流与熔丝必须熔断的时间;

  5.最大故障电流;

  6.脉冲、冲击电流,涌入电流,启动电流和电路瞬变值;

  7.结构尺寸限制,如长度、直径或高度;

  8.必要的机构鉴定书,如UL,CSA,VDE等军事部门等机构;

  9.需要考虑的事项:容易更换,轴向引线,目测指示等;

  10.熔丝座部件:保险丝夹,安装盒,面板安装,P.C.板安装,射频干扰屏等等。

  正常工作电流:在25℃条件下运行,熔丝的电流额定值通常要减少25%以避免干扰熔断。例如,一个电流额定值为10A的熔丝通常不推荐在25℃环境温度下在大于7.5A的电流下操作。欲知详情,请见前面的“额定值减少”和下面的“环境温度”。

  电压:熔丝的电压额定值必须等于或大于有效的电路电压。有关例外的情况请见“电压额定值”。

  环境温度:熔丝的电流承载能力试验是在25℃环境温度下进行的,这种试验受环境温度变化的影响。环境温度越高,熔丝的工作温度就越高,其寿命就越短。相反,在较低的温度下操作将延长熔丝的寿命。当正常工作电流达到或超过所选熔丝的额定电流时,熔丝也逐渐变得越热。实际经验表明,在室温下,如果在不大于表列熔丝额定电流数值的75%条件下使用的话,那么熔丝应该无限期操作下去。

  以下为环境温度对电流承载能力影响的典型曲线图:

  其中:

  曲线A:为传统的慢熔断熔丝的曲线;

  曲线B:为特快熔断,快熔断和螺旋绕制的熔丝的曲线;

  曲线C:自复聚合物保护器的曲线;

  *除额定值的减少之外还有环境温度的影响,请见例子。

  例子:在某一使用场合,给定的正常电流为1.5A,采用一种传统的慢断熔丝,在室温下工作,则:

  表列熔丝额定值=正常工作主电流/0.75

  即1.5A/0.75=2.0A熔丝(在25℃下)

  同样,如果该同一熔丝在70℃高温的环境温度下工作,就必须额外减少工作电流,环境温度曲线图中的曲线A(传统的慢熔断熔丝表明)70℃时的最大运行额定值的百分比为80%,在这种情况下,

  表列熔丝额定值=正常工作主电流/0.75*额定值有百分比

  即1.5A/0.75*0.80=2.5A熔丝(在70℃下)

  过载电流情况:这是当电路需要保护时的电流强度。(故障情况可用当破坏发生前的承载电流或同时用所受的最长时间来表示。)要试图使熔丝的特性与电路的需要相匹配,就应考虑时间-电流特性曲线,同时还应时时考虑时间-电流特性曲线是以平均数值为根据的。

  最大故障电流:熔丝的熔断额定值必须满足或超过电路中的最大故障电流量。

  脉冲:脉冲这个一般术语在本文中用来描述广范的各种波形,这些波形可称为“冲击电流”,“起动电流”,“涌入电流”和“瞬变值”。电脉冲的状况会因实用场合不同而相差很大。对某一特定的脉冲状况,不同的熔丝结构会作出不同的反应。电脉冲产生热循环,并产生能够影响熔丝寿命的机械疲劳。起动脉冲对某些实用场合是正常的,这种场合必须使用慢熔断熔丝。慢熔断熔丝有热延迟设计,能使其在正常的起动脉冲下保持完好并仍然能够对长时间的过载提供保护。设计时应确定起动脉冲并与熔丝的时间-电流特性曲线和I2t额定值进行比较。建议进行实用测试以确定熔丝能够承受脉冲状况的设计能力。

  公称熔化热能I2t是对要熔化元件所需能量的度量,读为A2Sec。该公称熔化热能I2t,及其所代表的能量(在8毫秒(0.008秒)或更短的持续时间内),对于每一种不同的熔丝部件来说是个常量值。因为对于每一种熔丝类型和额定值,以及其相应的部件编号都有不同的熔丝元件,所以,对每种熔丝都必须确定其I2t。I2t值是熔丝本身的一个参数,其决定因素是元件材料及其形状。除根据前面所讨论的“正常工作电流”,“减少额定值”和“环境温度”选择熔丝外,还必须使用I2t设计方法。公称熔化热能I2t对每种熔丝元件设计不仅是个常量而且与温度及电压无关。熔丝选择中这一公称熔化热能I2t方法最常用于熔丝必须承受得住电流脉冲大而持续时间短的一些实用场合。这些高能电流常见于许多实用场合,描述这些高能电流有许多术语,如冲击电流、起动电流、涌入电流和其他类似的可以分类在脉冲一般类型中的电路瞬变值.每种熔丝设计都进行实验室测试以确定其公称熔化热能I2t的额定值.本刊中给出的I2t数值是公称的且具有代表性.如果该参数在设计分析中是极限值的话,用户则应向生产厂家进行咨询.下面的例子应该有助于更好地理解I2t的应用.

  例子:选择一种125伏、特快熔断类必高型保险丝,能承受具有图A所示的脉冲波形的100,000次冲击,正常工作电流为0.75A,环境温度为25℃.

  步骤一,参见图表1并选择适当的波形,本例中为波形E.把最大脉冲电流的适当值(ip)和时间(t)代入波形E相应的公式内并计算结果如下:

  I2t=1/5(ip)2t=1/5*82*0.004=0.0512A2Sec

  该值称为"脉冲I2t"。

  步骤二,参见图II表,确定所要求的公称熔化热能I2t的值.图II表给出了步骤一中计算出来的出现100,000次脉冲时I2t的数值为22%.把这脉冲I2t转换成所要求的公称熔化热能I2t值如下:

  公称熔化热能I2t=脉冲I2t/0.22=0.0512/0.22=0.2327A2Sec

  步骤三,检验该必高II型,125伏,特快熔断类熔丝的I2t额定数值.部件编号251001,1安培设计其额定值定为0.281A2Sec,这是能够适应在步骤二中计算出来的0.2327A2Sec这个峰值的最小熔丝额定值.如前所述,当该1安培额定值的减少系数为25%时,该1安培的熔丝也将适应所规定的0.75安培的正常工作电流.

  测试:为给定的实用场合选择熔丝时应考虑上述各因素.下一个步骤是要求一些样品在实际的电路中进行测试来验证这一选择.在评估样品前,应确保该熔丝用品质优良的接线正确安装,使用尺寸足够的导线.此测试包括正常条件下的寿命测试和故障条件下的过载测试,以确保该熔丝在电路中正常运行。


    熔丝标准  

熔丝的各项额定值及其他性能指标是根据实验条件及验收规范测定的.验收规范是按一种或多种熔丝标准确定.掌握这些标准是重要,以便正确地选用熔丝于电路保护.

  美国UL及加拿大CSA248.14辅助过流保护用熔丝(最大600伏)(原名UL198G和CSA C22.2,No.59)

  UL分类

  UL分类的熔丝满足UL/CSA248.14标准的各项要求.下面是一些若干要求.

  UL安培额定值的测试在额定电流的110%、135%和200%等条件下进行.熔丝必须承载其额定值110%的电流并且在温升不超过75℃的温度下必须稳定。

  熔丝在135%的额定电流下一小时内必须断开,在200%的额定电流下如额定值在30安培以下,必须在二分钟内断开.而额定值在35至60安培之间,在4分钟内断开。

  UL分类熔线的熔断能力在125V额定电压下最小为10,000安培AC。额定电压为250伏特的熔丝可公类为在125伏特电压下熔断额定能力为10,000安培,而在250伏特电压下至少具有下面所给出的最小熔断额定能力。

熔丝安培额定值
熔丝额定能力(安培)
电压额定值
0~13
35
250VAC
1.1~3.5
100
250VAC
3.6~10
200
250VAC
10.1~15
750
250VAC
15.1~30
1500
250VAC

       熔丝安培额定值熔丝额定能力(安培)电压额定值0~1335250VAC1.1~3.5100250VAC3.6~10200250VAC10.1~15750250VAC15.1~301500250VAC

  根据美国保险商实验室UL元件大纲认可(UR)

  UL认证大纲不同于UL分类。UL将按生产厂家所要求的规格检测熔丝。如果熔丝是为某一专门用途设计的话,那么测点可能不同于UL分类要求。对于根据元件大纲认可的熔丝,UL要求应用鉴定书。

  UL275汽车用玻璃管熔丝(32伏特)

  UL分类

  UL安培额定值测试在额定电流的110%,135%和200%等条件下进行.不要求熔断额定能力测试。

  CSA证书

  加拿大的CSA证书类似于美国的UL分类鉴定书,而其元件大纲认可也同美国的UR相似。此元件大纲方便生产商制定规格,然后由CSA检验测试结果。

  MITI鉴定书

  日本的MITI鉴定书类似于美国的UL分类鉴定书。

  国际电气技术委员会(IEC)

  刊物127,第一、二、三、五页(250伏特)

  IEC组织不同于美国的UL和加拿大CSA,因为IEC只制定规程而不颁发鉴定书。

  UL和CSA制定规程,并负责测试和颁发鉴定书。IEC规程鉴定书由SEMKO(瑞典电气设备测试及鉴定研究所)和BSI(英国标准研究所)以及UL和CSA颁发。

  IEC刊物127定义了两种分断能力级别(熔断额定能力).低公断能力熔丝必须通过35安培或额定电流的十倍甚至更高电流测试.高分断能力熔丝必须通过35安培或额定电流的十倍甚至更高电流测试.高分断能力熔丝必须通过1500安培电流的测试.

  第一页-F型快速动作,高分断能力

  第二页-F型快速动作,低分断能力

  第三页-T型延时,低分断能力

  第四页-T型延时,高分断能力

  字母"F"和"T"代表F型和T型熔丝的时间-电流特性."F"和"T"中一个将标注在熔丝的端帽上.

  IEC127和UL/CSA248-14的熔丝断开时间:

额定值的百公比UL标准248-14IEC F型第一页和第二页IEC T型第三页IEC T型第五页
110%
4小时最小
--
--
--
135%
60分钟最大
--
--
--
150%
--
60分钟最小
60分钟最小
60分钟最小
200%
2分钟最大
--
--
--
210%
--
30分钟最大
2分钟最大
30分钟最大

  IEC还有在275%,400%和1000%的额定值测试要求,然而此表用来表明按不同规格制造但具有相同安培额定值的熔丝是不可互换的.按照IEC127标准,安培额定值为1的熔丝可以在1个安培下运行.按UL标准198G制造的额定值为1安培的熔丝不应在大于0.75安培的条件下运行(减少25%-参见熔丝学的"额定值的减少")

  军用/联帮标准(请参见军品-节目录表)

  Mil-F-15160和Mil-F-23419

  这规程决定主要适合军用电气的熔丝的结构与性能

  Mil-F-19207


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