【技术专辑】了解熔断器运行和使用的详细情况

本文概要介绍了熔断器功能和设计的一些细微但重要的方面。

 

相关信息

 

AAC有关熔断器的教科书页面

 

多种类型的熔断器:轴向熔断器、管型熔断器、表面安装熔断器、PTC熔断器

 

基础知识

 

熔断器提供了一种用于保护设备免受危险电流水平损坏的简单且极为有效的方式。

 

1.流过导体非零电阻的电流导致功率损耗。

 

2.功率以热量的形式被损耗掉。

 

3.热量提高了导体的温度。

 

4.如果电流振幅和持续时间二者共同作用足以将熔断器的温度提升至熔点以上,则熔断器成为开路,同时电流流动停止。

 

尽管熔断器的基本运行并不复杂,但仍有一些细微之处需要了解。本文的余下部分将帮助您了解与熔断器特征和用途相关的一些重要细节。

 

热量,而非电流

 

熔断器的脱扣不是由电流直接引起的,事实上,电流产生热量,而热量导致熔断器跳闸。这实际上是一种相当重要的特性,因为这意味着,熔断器的运行受到环境温度以及电流时间特性的影响。

 

熔断器的规定额定电流仅与特定的环境温度(通常,或可能总是25°C)相关,所以,如果您正在设计完全在户外(如,南极洲或死谷)运行的设备,您需要调整熔断器的选择。下图显示了环境温度如何对三种类型熔断器的实际额定电流产生影响——与25°C的名义额定电流相比。

 

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图来自Littelfuse公司出版的此篇文章

 

关于通过熔断器的电流的时间特性,我们都知道热效应随着时间的流逝而不断积累(就好比,暂时性地碰触到热的平底锅,与拿起一个平底锅,在从炉灶到餐桌之间的半路上才发现锅是热的相比,完全算不了什么)。因此,熔断器的额定电流是其实际特性的一种简化。我们不要认为熔断器会响应高振幅瞬变,因为高功率损耗的持续时间较短,并不能使温度升高到足以引起脱扣。

 

下图显示了松下公司生产的一系列表面安装熔断器的时间电流特性。额定电流在最上面,曲线表示的是使熔断器脱扣所需的时间与流经熔断器的电流流量之间的关系。

 

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图来自本数据表。

 

您可以看到,瞬时振幅一定比额定电流高出许多。例如,当过流状态的持续时间仅为1毫秒时,过载电流需达到3 A才能使0.5 A的熔断器脱扣。

 

将其串联!

 

我在这一点上就不再赘言,因为这是非常简单明了的,不过这也是值得一提的,以防万一情况。因为您可能正在熬夜设计原理图,在非常疲惫的状态下,您可能未能注意到熔断器的安排方式不妥,如,仅与两个稳压器之中的一个串联。熔断器对与之并联的任何元件均不能起到保护作用。

 

额定电流与工作电流

 

如果假定额定电流为6A的熔断器可用于可能需要5A稳态电流的电路,这一假设是非常合理的。不过,事实证明,良好的设计实践并非如此。熔断器的额定电流不是一个高精度的规范,此外(如上所述),实际脱扣电流受到环境温度的影响。因此,为了避免“不当跳闸”,您应该在预期的稳态电流和熔断器的额定电流之间预留相当充裕的间隔。本文来自Littelfuse公司,文中建议,预留25%的“额定值重新设定”(针对室温运行),据此,只有在电路的稳态电流处于7.5A的情况下,才可使用额定电流为10A的熔断器。

 

一定要有耐心

 

假设您的电路包含一个比较脆弱的元件,该元件在电流超过1A的情况下就会损坏。在正常情况下,电路不应该超过500mA,所以您选用了一个功率为900mA的熔断器。这个功率足以防止不当脱扣,而且也足够低,可以确保这个脆弱的元件绝对不会通过1A的电流。是这样吧?

 

其实并非如此。考虑一下本文之前提到的松下熔断器的以下规格:

 

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图片源自本数据表。

 

我们已经讨论过了热量需要时间去累积这一事实,而且在上述情况下,热量积累需要较长的时间:当电流等于额定电流时,您必须等待至少4个小时,熔断器才会脱扣,即便在电流是额定电流的两倍时,延迟至少为5秒。以上事实至少说明:该脆弱的元件可能在熔断器跳闸很久之前就已经被烧毁了。您必须重新思考一下您的熔断器选择或者——在类似以上所描述的情况下,这很可能是一个更为现实的解决方案——采用一种不同的处理过流状况的方法。

 

不要忘记电压

 

熔断器的设计思路是,电阻非常低,这样就不会对其所保护的电路起到不适当的干扰作用。低电阻意味着,熔断器上的电压降非常小。那么,熔断器为什么设置了额定电压呢?

 

诚然,在正常运行过程中,熔断器所承受的电压是很小的,但是额定电压与正常运行无关。事实上,额定电压所表示的是,熔断器在脱扣之后可以承受的电压。熔丝烧断之后就形成了一个开式回路,而且如果在这个开路两侧的电压足以引起电弧放电的话,熔断器就靠不住了。

 

如果您正在使用类似下图所示的体积小巧的表面安装熔断器,关注一下额定电压是一个很好的办法(注意实际的熔丝有多细)。例如,0603熔断器的额定电压可能为32V或甚至24V。

 

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简图源自本数据表。

 

结论

 

我们针对熔断器的工作方式以及如何有效地将其整合至我们的设计之中进行了一些有趣的细节性探讨。在之后的文章中,我们将讨论不同类型的熔断器。

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发布日期:2019年03月03日  所属分类:工业控制