熔斷器技術(shù)概述

便攜式電子設備和消費類(lèi)設備，以及汽車(chē)、軍事和航空航天應用中的幾乎所有電子裝置，都需要在一定程度上做好過(guò)流事件防護。最經(jīng)濟和常見(jiàn)的過(guò)流保護方式是熔斷器。伊頓提供配置各異、種類(lèi)繁多的熔斷器。選擇適用于特定應用的熔斷器時(shí)，需要考慮數量多得驚人的參數。熔斷器技術(shù)網(wǎng)頁(yè)將審查基本的熔斷器工作、應用和選擇標準。

過(guò)流熔斷器有兩個(gè)主要用途：

· 使元器件、設備和人員免遭過(guò)流引起的火災和電擊風(fēng)險

· 在故障發(fā)生后從主系統中隔離子系統

什么是過(guò)流事件？

當電路承受的負載超過(guò)正常負載時(shí)，就會(huì )發(fā)生過(guò)流事件。過(guò)流事件可以是過(guò)載或短路狀態(tài)。元器件和設備可能會(huì )因兩種類(lèi)型的過(guò)流而損壞。

過(guò)載狀態(tài)是指電路內流動(dòng)的任何電流高于電路的正常滿(mǎn)載電流。過(guò)載時(shí)，電流值通常是電路正常工作電流的二至五倍。

短路狀態(tài)是一種過(guò)流事件，不僅偏離正常電流路徑，而且電流值大幅超過(guò)電路的正常滿(mǎn)載電流（達到數十、數百甚至數千倍）。

選擇過(guò)流保護產(chǎn)品

在正常負載條件下，熔斷器必須承載電路的正常工作電流，同時(shí)不會(huì )遭遇擾動(dòng)性開(kāi)路。但是，當過(guò)流發(fā)生時(shí)，熔斷器必須中斷過(guò)流，并在內部起弧后承受住熔斷器兩端的電壓。

要正確選擇熔斷器，必須考慮以下標準：

折疊

電壓額定值

熔斷器的額定電壓必須大于或等于最大開(kāi)路電壓。因為熔斷器具有如此低的電阻，所以額定電壓僅在熔斷器必須開(kāi)路時(shí)才變得至關(guān)重要。熔斷器必須能夠快速開(kāi)路，在熔斷器元件熔融后熄滅電弧，并防止系統開(kāi)路電壓在開(kāi)路熔斷器元件上造成電弧重燃。熔斷器按照其可以安全應用的交流和/或直流電路電壓來(lái)確定額定值。

正常工作電流

電路的正常工作電流是指電路通電并在正常條件下工作后汲取的電流電平（以 RMS 或直流安培值表示）。在 25 °C 下工作時(shí)，建議工作電流為額定電流的 80% 或更低，以免產(chǎn)生擾動(dòng)性開(kāi)路。例如，在正常工作電流超過(guò) 800 mA 的電路中，通常建議不要使用電流額定值為 1A 的熔斷器。在環(huán)境溫度升高時(shí)，需要進(jìn)一步降額。熔斷器數據表中的溫度降額曲線(xiàn)。

環(huán)境溫度

環(huán)境溫度是指熔斷器周?chē)目諝鉁囟龋灰欢ㄊ鞘覝亍Ｈ蹟嗥鞯乃须姎馓匦跃诃h(huán)境溫度為 25 °C 時(shí)確定額定值和驗證。環(huán)境溫度的升高和降低都會(huì )影響熔斷器的開(kāi)路和載流特性。熔斷器數據表中的溫度降額曲線(xiàn)展示了這種影響。

請查閱產(chǎn)品系列數據表，訪(fǎng)問(wèn) www.eaton.com/fuses，或聯(lián)系技術(shù)支持部門(mén)，以了解更多信息。

過(guò)載狀態(tài)和開(kāi)路時(shí)間

請務(wù)必特別注意第一個(gè)過(guò)載工作點(diǎn)。對熔斷器而言，第一個(gè)過(guò)載點(diǎn)通常介于額定電流的 200% 至 300% 之間，而且 400% 通常是電路保護器的第一個(gè)過(guò)載點(diǎn)。請查閱熔斷器數據表中的時(shí)間電流曲線(xiàn)，以便使熔斷器類(lèi)型符合電路要求。

可用短路電流

熔斷器必須能夠在短路狀態(tài)下斷開(kāi)電路，同時(shí)不能危及周?chē)h(huán)境。保護裝置的斷開(kāi)容量或分斷額定值是指該裝置在額定電壓下安全開(kāi)路（不擊穿）的最大可用電流。熔斷器的斷開(kāi)容量或分斷額定值必須等于或大于電路的可用短路電流。

熔斷積分 (I2t)

熔斷器的熔斷積分（通常稱(chēng)為 I2t）是指熔融特定熔斷器元件所需的熱能。該值由熔斷器元件的構造、材料和橫截面面積決定。每個(gè)熔斷器系列和安培額定值都使用不同的材料和元件配置，因此，必須確定每個(gè)熔斷器的 I2t 值。為確定熔斷器的 I2t，需要在直流測試電路中測試額定電流（時(shí)間常數小于 50 微秒）。通過(guò)使用高速示波器和一體化程序，可以測量非常準確的 I2t 值。時(shí)間電流圖描繪的 I2t 數據（圖 1）。

電路設計者可以借助包括熔斷器熔融 I2t 在內的多個(gè)值，為特定應用選擇熔斷器和確定恰當的容量大小。該值可與電路中的瞬態(tài)浪涌電流產(chǎn)生的熱能進(jìn)行比較。

圖 1. 型號為 S505SCH 的延時(shí)高 I2t 熔斷器時(shí)間電流曲線(xiàn)

時(shí)間電流曲線(xiàn)

時(shí)間電流曲線(xiàn)反映了熔斷器熔融或清除時(shí)間與 RMS 或直流電流值之間的關(guān)系。在公布的大多數圖形中，反映的特性通常是指熔斷器在經(jīng)受一定電流時(shí)的平均熔融時(shí)間。這些曲線(xiàn)通常展示承載 100% 額定電流的能力。它們還反映了熔斷器的這一能力：在指定過(guò)載點(diǎn)處（通常為熔斷器額定值的 135% 至 300%），在最大開(kāi)路時(shí)間內開(kāi)路的能力。

從設計角度看，時(shí)間電流曲線(xiàn)有效幫助工程師為應用指定熔斷器類(lèi)型或額定值。但是，建議在實(shí)際應用中測試熔斷器樣品，以驗證其性能。

脈沖和浪涌特性

瞬態(tài)浪涌或脈沖電流用于描述電路中的任何起動(dòng)、浪涌或瞬態(tài)電流產(chǎn)生的波形。在某些應用場(chǎng)合下，出現脈沖電流很正常。

因此，請務(wù)必確定恰當的熔斷器容量大小，以便在允許這些脈沖通過(guò)的同時(shí)不造成擾動(dòng)性開(kāi)路或熔斷器元件退化。如果過(guò)載狀態(tài)持續出現，則熔斷器必須在 UL 和 CSA 標準規定的限度內開(kāi)路。抗浪涌能力是指熔斷器設計和/或分類(lèi)的功能，與浪涌脈沖、持續時(shí)間、頻率等因素相關(guān)。

脈沖電流可能會(huì )產(chǎn)生熱能，這些熱能不一定足以造成熔斷器開(kāi)路，但可能會(huì )導致元件疲勞并縮短熔斷器壽命。為了確定恰當的熔斷器容量大小及其浪涌耐受能力，應確定電路的脈沖能量，并將其與熔斷器的時(shí)間電流曲線(xiàn)和 I2t 額定值進(jìn)行比較。熔斷器的熔融 I2t 值必須大于或等于脈沖 I2t 與脈沖系數的乘積。

峰值電流和衰減時(shí)間定義了脈沖電流特性或波形。脈沖可以產(chǎn)生不同的波形，這決定了用于計算脈沖能量或 I2t 的公式。圖 2 顯示如何選擇合適的波形及其對應的脈沖 I2t 計算過(guò)程。

圖 2. 脈沖波形和 I2t 計算過(guò)程

熔斷器耐受能力

計算出電路的脈沖 I2t 后，即可確定熔斷器在不會(huì )對熔斷器元件造成熱應力（熱應力可能導致擾動(dòng)性開(kāi)路）的情況下承受浪涌脈沖的能力。電路設計者需要確定恰當的熔斷器容量大小，以使熔斷器的熔融 I2t 值大于或等于脈沖 I2t 與脈沖系數 Fp 的乘積，即：I2t 熔斷器 ≥ I2t 脈沖 x Fp。

脈沖系數取決于熔斷器元件的構造。熔斷器在裝置使用壽命內承受的浪涌脈沖數量和頻率將影響“線(xiàn)在空氣中”(wire-in-air) 結構的熔斷器元件（例如圓管型熔斷器，6125 和 1025 系列）。這種結構設計利用主元件材料上鍍覆或沉積的低熔點(diǎn)金屬來(lái)產(chǎn)生“M”效應。如果未恰當確定熔斷器容量大小，低電平脈沖電流可能導致低熔點(diǎn)金屬與元件形成合金，同時(shí)未能使元件完全開(kāi)路。

一連串脈沖電流最終將產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)改變電阻，甚至使熔斷器永久開(kāi)路。因此，務(wù)必要考慮熔斷器將承受的脈沖電流數量。

SolidMatrix 熔斷器（例如 0603FA 或 3216FF 容量大小的表面安裝熔斷器）目前并未對元件結構使用“M”效應。元件僅會(huì )受每個(gè)脈沖熱能的影響，并且通常不會(huì )因脈沖的數量或頻率而退化。

表 1 可用于確定脈沖系數 (Fp)。例如，I2t 為 0.0823 且脈沖系數 Fp 為 1.25 的脈沖電流需要選擇熔融 I2t 大于或等于 0.1029 的熔斷器。

· 熔融 I2t 熔斷器 ≥ I2t 脈沖 x Fp

· 熔融 I2t 熔斷器 ≥ 0.0823 x 1.25

· 熔融 I2t 熔斷器 ≥ 0.1029

請務(wù)必注意，必須在相同測試條件下計算或測試所比較的熔斷器熔融 I2t 值和脈沖電流值；最重要的是，峰值電流大小必須相同。例如，如果脈沖的峰值電流為 15A，則必須在 15A 處計算熔斷器的熔融 I2t，另外還要全面了解熔斷器在該電流值下的電氣特性。

表 1.

脈沖系數 Fp

可用電路板空間

電子熔斷器有多種實(shí)際尺寸，包括微型熔斷器（表 2）。最常見(jiàn)的圓管形設計為 5x15mm、5x20mm 和 6.3x32mm (1/4” x 1 1/4”)。微型熔斷器通常用于電路板空間有限時(shí)。對于此類(lèi)應用，可選通孔插接和表面安裝裝置。表面安裝熔斷器的標準封裝尺寸為 0402 (1005)、0603 (1608)、1206 (3216)、6125 和 1025。這些尺寸是整個(gè)電子行業(yè)的標準尺寸。通孔軸向和徑向引線(xiàn)式產(chǎn)品允許將熔斷器安裝在 PCB 上。裝有引線(xiàn)的標準圓管型熔斷器也可以通過(guò)此方式安裝。

表 2.

傳統圓管型熔斷器的實(shí)際尺寸

標準要求

對于過(guò)流裝置，北美 UL/CSA 和 IEC 標準要求的時(shí)間電流特性有很大不同。物理尺寸和使用的材料通常相差無(wú)幾；但是，按照不同標準制造的熔斷器不可互換，原因是當它們經(jīng)受相同的電流值時(shí)，元件的熔融和開(kāi)路時(shí)間并不相同。因此，電路設計者務(wù)必要考慮到世界各地的標準可能會(huì )要求使用不同的熔斷器。