- 熔斷器的工作原理
- 熔斷器的主要參數
- 熔斷器選用時(shí)須考慮的主要參數
- 重要參數的計算方法
- 根據熔化熱能I2t 選擇熔斷器電流型號匹配指導
- 環(huán)境溫度應在規定工作溫度范圍之內，當超過(guò)環(huán)境溫度25℃時(shí)，應參照溫度折減曲線(xiàn)降級使用
- 熔斷器所在電路中的最高電壓不應超過(guò)熔斷器的額定電壓
- 額定電流：通過(guò)熔斷器的工作電流不應超過(guò)額定電流的75％
- 短路截流能力：熔斷器所在的電路中可能出現的最大短路電流不應超過(guò)熔斷器的短路截流能力
- 熔斷特性：熔斷器在出現需要切斷的過(guò)載電流時(shí)的熔斷速度應滿(mǎn)足應用上的要求
- 熔斷器的I2t應大于浪涌電流的I2t
熔斷器的工作原理
當電流通過(guò)導體時(shí)，因導體存在一定的電阻，所以導體將會(huì )發(fā)熱且發(fā)熱量遵循著(zhù)Q=I2Rt，其中Q是發(fā)熱量，I是通過(guò)導體的電流，R是導體的電阻，t是電流通過(guò)導體的時(shí)間。當制作熔斷器的材料及其形狀確定，其電阻R就相對確定了（若不考慮電阻溫度系數），當通電流后就會(huì )發(fā)熱，隨時(shí)間增加其發(fā)熱量亦增加，如果產(chǎn)生的熱量超過(guò)散發(fā)的熱量，熔斷器的溫度就會(huì )增加，當溫度升到熔斷器的熔絲熔點(diǎn)時(shí)熔斷器就發(fā)生熔斷亦即斷開(kāi)電路起到保護作用。
熔斷器的主要參數
- 工作溫度： 指熔斷器周?chē)臏囟?，AEM熔斷器的工作溫度范圍為-55℃到+125℃。
- 尺 寸： 片式熔斷器通常采用EIA/EIAJ規定的標準尺寸：1206，0603，0402。
- 額定電壓： 熔斷器在切斷過(guò)載電流過(guò)程中所能承受的最高電壓。
- 額定電流： 熔斷器所能承載的工作電流，目前AEM熔斷器可提供的額定電流范圍由0.25A到8A不等。
- 額定分斷能力： 又稱(chēng)短路截流能力，額定電壓下能安全切斷的最大故障電流。
- 熔斷特性： 在給定過(guò)載電流情況下的熔斷速度。
- 熔化熱能： I2t指熔斷器熔斷所需要的能量。
熔斷器選用時(shí)須考慮的主要參數
- 1. 工作溫度：熔斷器工作時(shí)的環(huán)境溫度應在規定的工作溫度范圍之內，當環(huán)境溫度超過(guò)25℃時(shí)，應參照溫度折減曲線(xiàn)降級使用。
- 2. 額定電壓：熔斷器所在電路中的最高電壓不應超過(guò)熔斷器的額定電壓。
- 3. 額定電流：通過(guò)熔斷器的工作電流不應超過(guò)額定電流的75％。
- 4. 短路截流能力：熔斷器所在的電路中可能出現的最大短路電流不應超過(guò)熔斷器的短路截流能力。
- 5. 熔斷特性：熔斷器在出現需要切斷的過(guò)載電流時(shí)的熔斷速度應滿(mǎn)足應用上的要求。
- 6. I2t：熔斷器的I2t應大于浪涌電流的I2t 。
1. 溫度折減率： 當熔斷器工作的環(huán)境溫度高于25℃時(shí)必須考慮溫度的影響，在選擇熔斷器額定值時(shí)可依據：額定電流=工作電流/0.75/溫度折減率。 例如：如果工作溫度為65℃，從AEM溫度折減曲線(xiàn)可查出折減系數為90%,如果工作電流為4A,則我們應該選用的熔斷器額定值為：4/0.75/90%=5.9A或6A。
AEM熔斷器溫度折減曲線(xiàn)如圖一所示：
2. 幾種典型波形的I2t計算方法：
1）方波：
2）正弦波：
3）三角波：
4）衰減波：
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根據熔化熱能I2t 選擇熔斷器電流型號匹配指導
I2t通常用于衡量一個(gè)熔斷器熔斷時(shí)所需要的能量，其中I為過(guò)載電流，t為熔斷時(shí)間。
I2t并非一個(gè)常數，原因是一個(gè)熔斷器的熔斷時(shí)間并非單由生產(chǎn)的熱量決定。散熱的速度及熔斷器的熱容特性，均會(huì )影響熔斷時(shí)間。熔斷器的能量平衡關(guān)系可用下面的簡(jiǎn)化公式來(lái)表達：
其中m為熔斷器的質(zhì)量，Cp為比熱或熱容系數，T為溫度，t為時(shí)間，
為升溫速率，I2R為電轉化為熱能的速率。這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的式子，因為熔斷器并非由單一的材料組成，而且材料的物性亦是溫度的函數。 當產(chǎn)生熱量的速率等于散熱速率時(shí)，
=0，即溫度T不隨時(shí)間而變，熔斷器的溫度達到平衡。 熔斷器的散熱，主要由三種傳熱機理組成，即傳導、對流和輻射。這三種傳熱方式，其傳熱速率均與熔斷器及外界環(huán)境的溫度差有關(guān)。當溫度差越大時(shí)，傳熱的速率亦越大。傳導傳熱主要是通過(guò)熔斷器的本體材料，將電熱從熔斷器的導電部分傳到周邊，包括通過(guò)端頭傳到線(xiàn)路板及由外表面傳到周?chē)目諝庵?。對流傳熱是由周?chē)諝獾牧鲃?dòng)產(chǎn)生，對流傳熱有兩種方式：一為自然對流，即由于熔斷器表面的空氣被熔斷器加熱而產(chǎn)生密度的變化所造成；另一為強制對流，即由電子器件內排風(fēng)扇強制空氣的流動(dòng)造成。輻射是由熔斷器表面產(chǎn)生的熱輻射造成，其速率取決于熔斷器表面溫度與環(huán)境溫度四次方之差和熔斷器表面及散熱空間的黑度。
當熔斷器產(chǎn)生熱量的速度大于散熱速度時(shí)，
>0，即溫度隨時(shí)間而上升。如果散熱速率不能因為本身溫度的上升而升到等于熱量產(chǎn)生的速率時(shí)，熔斷器導電部分的溫度將會(huì )一直上升，直至達到導電金屬的熔化溫度，而將導電體熔斷，而達到過(guò)流保護的目的。在電子電路中，時(shí)常會(huì )用到電容和電感。電容和電感均會(huì )在電流變化時(shí)吸收或放出能量，這就會(huì )造成瞬間的大浪涌電流。這些浪涌電流通常在電路開(kāi)和關(guān)時(shí)較大，有時(shí)浪涌電流會(huì )是穩態(tài)電流的數倍，甚至是十數倍。電路設計師在選用熔斷器時(shí)，要考慮熔斷器承受浪涌電流的能力。
I2t的數據或圖表，可用于估算熔斷器熔斷所需的能量，和熔斷器承受浪涌電流的能力。
由于I2t不是一個(gè)常數，有些廠(chǎng)家提供I2t相對于電流或熔斷時(shí)間的變化曲線(xiàn)供用戶(hù)參考。從實(shí)驗數據及曲線(xiàn)中我們可以看到，表面貼裝片式熔斷器的I2t只有在電流達到額定電流的1500%才會(huì )趨于穩定。有些廠(chǎng)家提供熔斷時(shí)間為0.001秒時(shí)的I2t供用戶(hù)參考。但是我們要注意到0.001秒時(shí)的I2t與0.0005秒時(shí)的I2t是不同的。只有在浪涌電流的脈沖時(shí)間與參考的熔斷I2t的時(shí)間接近時(shí)，I2t才有參考意義。如果我們將前面熔斷器能量平衡的公式對時(shí)間作一個(gè)積分，我們可以得到：
只有在m， Cp，R，I及散熱速率均與溫度及時(shí)間無(wú)關(guān)時(shí)，我們才可以得到I2t的常數關(guān)系，
即：
或
但實(shí)際上物性數據m（質(zhì)量），Cp（熱容），R（電阻）均是溫度的函數，而散熱速率更因溫度的升高而升高，所以將I2t作為一個(gè)常數來(lái)考慮，只是非常粗略的一種近似。只有在熔斷時(shí)間非常短，而散熱和導體周邊材數的吸熱都可以忽略不計時(shí)，這種近似才有意義。
一些測試的數據表明，當過(guò)載電流達到額定電流的1500%時(shí)，I2t接近于一個(gè)常數。
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下面我們通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何根據浪涌電流的I2t來(lái)選用能夠承受該浪涌電流的熔斷器。
例1:下圖為一個(gè)用戶(hù)所提供的浪涌電流曲線(xiàn)：
我們可以根據I和t的數據算出I2t與t的數據，并將這些數據標在I2t相對于t的熔斷器特性圖上。
上圖下面兩條熔斷器的I2t曲線(xiàn)均在局部低于電流浪涌脈沖的I2t。這說(shuō)明這兩個(gè)熔斷器的熔斷能量，均低于浪涌電流脈沖的能量。這兩個(gè)熔斷器不適用于這一電路。
第三條熔斷器的I2t曲線(xiàn)在電流浪涌脈沖I2t曲線(xiàn)之上。這一熔斷器有可能用于這一電路。我們在這里之所以說(shuō)“有可能”，是因為我們還要考慮其他使用條件。這些條件包括：
- (1)要有多大的I2t安全系數才能保證滿(mǎn)足由于電路元件參數的散布（包括熔斷器自身），和多次脈沖造成的熔斷器降級（derating)的要求；
- (2)由于使用溫度高于環(huán)境溫度而作的降級使用；
- (3)電流最高電壓和最大要求分斷能力需要小于所選用的熔斷器的最高使用電壓和最大分斷能力；
- (4)在電流出現短路故障時(shí)，熔斷器的反應時(shí)間是否足夠快。
在這里，我們重點(diǎn)分析第(1)點(diǎn)。實(shí)際選用的熔斷器的I^{2}t_{F}值，即相應于電流浪涌I2tmax最大值處的熔斷器的I2t值， 應該滿(mǎn)足：
為熔斷器參數散布的安全系數，一般為25%-45%。
為考慮電路參數分布的安全系數。可以通過(guò)實(shí)測多個(gè)電路浪涌電流的分布來(lái)取得。如未取得實(shí)測參數或在作電路設計的初步估算時(shí)，可選用25%-45%。
為浪涌脈沖使熔斷器老化所需加入的安全系數。這一系數與熔斷器的設計及材料、脈沖的條件及次數有關(guān)。有的廠(chǎng)家建議，在脈沖使用次數為100,000 次時(shí)，熔斷器的使用I2t要降級到標稱(chēng)I2t的22%來(lái)使用，即應為(1/22%-1) =354%。這種大幅度的降級使用，與熔斷器的設計和使用材料有關(guān)系。這類(lèi)熔斷器采用有機復合材料作為基板，其散熱較慢，故在使用脈沖降級曲線(xiàn)時(shí)，要保證脈沖之間要有10秒時(shí)間來(lái)讓熔斷器散熱。這類(lèi)熔斷器采用銅膜來(lái)做熔斷絲，其優(yōu)點(diǎn)在于有較低的電阻及較低的成本，但銅的熔點(diǎn)是1083℃。這遠高于有機復合基材的耐受溫度。為了降低熔斷絲的熔化溫度，在銅的熔斷絲上加了一些焊錫。在電流通過(guò)銅的熔斷絲時(shí)，溫度會(huì )上升，當溫度升至焊錫的熔點(diǎn)時(shí)，焊錫會(huì )與銅形成低熔點(diǎn)合金，而使銅熔斷絲在較低的溫度下熔化。這一方法有效地降低了熔斷絲的熔化溫度，但亦使熔斷器更容易老化。當熔斷器在承受反復的脈沖時(shí)，溫升會(huì )加速焊錫擴散到銅的熔斷絲中，使銅的熔點(diǎn)逐步降低，而最終有可能在較低的電流下即熔斷。一些測試結果證明了這一現象的存在。 AEM熔斷器具有良好的抗脈沖老化性能，測試數據表明，AEM熔斷器在多次脈沖后不會(huì )出現明顯的老化現象，因此我們建議客戶(hù)選用100%-200%作為100,000次使用的
，而無(wú)需將定為354%。例2:當有一脈沖波形如下圖時(shí),可以用疊加法計算出熔化能量數值: I2t=(242x120+1/2x44.42x80)*10^-6=0.15(A2s)計算出熔化熱能后即可按照上述方法選取相應的fuse型號。
