熔斷器技術(shù)概述
便攜式電子設備和消費類設備，以及汽車、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流事件防護。最經(jīng)濟和常見的過流保護方式是熔斷器。伊頓提供配置各異、種類繁多的熔斷器。選擇適用于特定應用的熔斷器時，需要考慮數(shù)量多得驚人的參數(shù)。熔斷器技術(shù)網(wǎng)頁將審查基本的熔斷器工作、應用和選擇標準。
過流熔斷器有兩個主要用途：
· 使元器件、設備和人員免遭過流引起的火災和電擊風險
· 在故障發(fā)生后從主系統(tǒng)中隔離子系統(tǒng)
什么是過流事件？
當電路承受的負載超過正常負載時，就會發(fā)生過流事件。過流事件可以是過載或短路狀態(tài)。元器件和設備可能會因兩種類型的過流而損壞。
過載狀態(tài)是指電路內(nèi)流動的任何電流高于電路的正常滿載電流。過載時，電流值通常是電路正常工作電流的二至五倍。
短路狀態(tài)是一種過流事件，不僅偏離正常電流路徑，而且電流值大幅超過電路的正常滿載電流（達到數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千倍）。
選擇過流保護產(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，同時不會遭遇擾動性開路。但是，當過流發(fā)生時，熔斷器必須中斷過流，并在內(nèi)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：
電壓額定值
熔斷器的額定電壓必須大于或等于最大開路電壓。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路時才變得至關(guān)重要。熔斷器必須能夠快速開路，在熔斷器元件熔融后熄滅電弧，并防止系統(tǒng)開路電壓在開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，建議工作電流為額定電流的 80% 或更低，以免產(chǎn)生擾動性開路。例如，在正常工作電流超過 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，需要進一步降額。熔斷器數(shù)據(jù)表中的溫度降額曲線。
環(huán)境溫度
環(huán)境溫度是指熔斷器周圍的空氣溫度，不一定是室溫。熔斷器的所有電氣特性均在環(huán)境溫度為 25 °C 時確定額定值和驗證。環(huán)境溫度的升高和降低都會影響熔斷器的開路和載流特性。熔斷器數(shù)據(jù)表中的溫度降額曲線展示了這種影響。
請查閱產(chǎn)品系列數(shù)據(jù)表，訪問 www.eaton.com/fuses，或聯(lián)系技術(shù)支持部門，以了解更多信息。
過載狀態(tài)和開路時間
請務必特別注意第一個過載工作點。對熔斷器而言，第一個過載點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過載點。請查閱熔斷器數(shù)據(jù)表中的時間電流曲線，以便使熔斷器類型符合電路要求。
可用短路電流
熔斷器必須能夠在短路狀態(tài)下斷開電路，同時不能危及周圍環(huán)境。保護裝置的斷開容量或分斷額定值是指該裝置在額定電壓下安全開路（不擊穿）的最大可用電流。熔斷器的斷開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(gòu)造、材料和橫截面面積決定。每個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（時間常數(shù)小于 50 微秒）。通過使用高速示波器和一體化程序，可以測量非常準確的 I2t 值。時間電流圖描繪的 I2t 數(shù)據(jù)（圖 1）。
電路設計者可以借助包括熔斷器熔融 I2t 在內(nèi)的多個值，為特定應用選擇熔斷器和確定恰當?shù)娜萘看笮 Ｔ撝悼膳c電路中的瞬態(tài)浪涌電流產(chǎn)生的熱能進行比較。
圖 1. 型號為 S505SCH 的延時高 I2t 熔斷器時間電流曲線
時間電流曲線
時間電流曲線反映了熔斷器熔融或清除時間與 RMS 或直流電流值之間的關(guān)系。在公布的大多數(shù)圖形中，反映的特性通常是指熔斷器在經(jīng)受一定電流時的平均熔融時間。這些曲線通常展示承載 100% 額定電流的能力。它們還反映了熔斷器的這一能力：在指定過載點處（通常為熔斷器額定值的 135% 至 300%），在最大開路時間內(nèi)開路的能力。
從設計角度看，時間電流曲線有效幫助工程師為應用指定熔斷器類型或額定值。但是，建議在實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、浪涌或瞬態(tài)電流產(chǎn)生的波形。在某些應用場合下，出現(xiàn)脈沖電流很正常。
因此，請務必確定恰當?shù)娜蹟嗥魅萘看笮?，以便在允許這些脈沖通過的同時不造成擾動性開路或熔斷器元件退化。如果過載狀態(tài)持續(xù)出現(xiàn)，則熔斷器必須在 UL 和 CSA 標準規(guī)定的限度內(nèi)開路。抗浪涌能力是指熔斷器設計和/或分類的功能，與浪涌脈沖、持續(xù)時間、頻率等因素相關(guān)。
脈沖電流可能會產(chǎn)生熱能，這些熱能不一定足以造成熔斷器開路，但可能會導致元件疲勞并縮短熔斷器壽命。為了確定恰當?shù)娜蹟嗥魅萘看笮〖捌淅擞磕褪苣芰?，應確定電路的脈沖能量，并將其與熔斷器的時間電流曲線和 I2t 額定值進行比較。熔斷器的熔融 I2t 值必須大于或等于脈沖 I2t 與脈沖系數(shù)的乘積。
峰值電流和衰減時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 計算過程。
圖 2. 脈沖波形和 I2t 計算過程
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對熔斷器元件造成熱應力（熱應力可能導致擾動性開路）的情況下承受浪涌脈沖的能力。電路設計者需要確定恰當?shù)娜蹟嗥魅萘看笮?，以使熔斷器的熔?I2t 值大于或等于脈沖 I2t 與脈沖系數(shù) Fp 的乘積，即：I2t 熔斷器 ≥ I2t 脈沖 x Fp。
脈沖系數(shù)取決于熔斷器元件的構(gòu)造。熔斷器在裝置使用壽命內(nèi)承受的浪涌脈沖數(shù)量和頻率將影響“線在空氣中”(wire-in-air) 結(jié)構(gòu)的熔斷器元件（例如圓管型熔斷器，6125 和 1025 系列）。這種結(jié)構(gòu)設計利用主元件材料上鍍覆或沉積的低熔點金屬來產(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金屬與元件形成合金，同時未能使元件完全開路。
一連串脈沖電流最終將產(chǎn)生足夠的熱量來改變電阻，甚至使熔斷器永久開路。因此，務必要考慮熔斷器將承受的脈沖電流數(shù)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(jié)構(gòu)使用“M”效應。元件僅會受每個脈沖熱能的影響，并且通常不會因脈沖的數(shù)量或頻率而退化。
表 1 可用于確定脈沖系數(shù) (Fp)。例如，I2t 為 0.0823 且脈沖系數(shù) 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(shù) Fp
可用電路板空間
電子熔斷器有多種實際尺寸，包括微型熔斷器（表 2）。最常見的圓管形設計為 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。對于此類應用，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。這些尺寸是整個電子行業(yè)的標準尺寸。通孔軸向和徑向引線式產(chǎn)品允許將熔斷器安裝在 PCB 上。裝有引線的標準圓管型熔斷器也可以通過此方式安裝。
表 2.
傳統(tǒng)圓管型熔斷器的實際尺寸
標準要求
對于過流裝置，北美 UL/CSA 和 IEC 標準要求的時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，元件的熔融和開路時間并不相同。因此，電路設計者務必要考慮到世界各地的標準可能會要求使用不同的熔斷器。