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保險絲由電阻率比較大而熔點較低的鉛銻合金製成的導線叫做保險絲。保險絲也被稱為熔斷器,IEC127標準將它定義為"熔斷體(fuse-link)"。它是一種安裝在電路中,保證電路安全運行的電器元件。

保險絲保險絲
保險絲由電阻率比較大而熔點較低的鉛銻合金製成的導線叫做保險絲。保險絲也被稱為熔斷器,IEC127標準將它定義為"熔斷體(fuse-link)"。它是一種安裝在電路中,保證電路安全運行的電器元件。

1 保險絲 -作用

保險絲保險絲
當電路發生故障或異常時,伴隨著電流不斷升高,並且升高的電流有可能損壞電路中的某些重要器件或貴重器件,也有可能燒毀電路甚至造成火災。若電路中正確地安置了保險絲,那麼,保險絲就會在電流異常升高到一定的高度和一定的時候,自身熔斷切斷電流,從而起到保護電路安全運行的作用。最早的保險絲於一百多年前由愛迪生髮明,由於當時的工業技術不發達白熾燈很貴重,所以,最初是將它用來保護價格昂貴的白熾燈的。保險絲保護電子設備不受過電流的傷害,也可避免電子設備因內部故障所引起的嚴重傷害。因此,每個保險絲上皆有額定規格,當電流超過額定規格時保險絲將會熔斷。

當介於常規不熔斷電流與相關標準規定的額定分斷能力(的電流)之間的電流作用於保險絲時,保險絲應能滿意地動作,而且不會危及周圍環境。保險絲被安置的電路的預期故障電流必須小於標準規定的額定分斷能力電流,否則,當故障發生保險絲熔斷時會出現持續飛弧、引燃、保險絲燒毀、連同接觸件一起熔融、保險絲標記無法辨認等現象。當然,劣質保險絲的分斷能力達不到標準規定的要求,使用時同樣會發生危害。

2 保險絲 -工作原理

保險絲保險絲
當電流流過導體時,因導體存在一定的電阻,所以導體將會發熱。且發熱量遵循著這個公式:Q=0.24I2RT;其中Q是發熱量,0.24是一個常數,I是流過導體的電流,R是導體的電阻,T是電流流過導體的時間;依此公式我們不難看出保險絲的簡單的工作原理了。
當製作保險絲的材料及其形狀確定了,其電阻R就相對確定了(若不考慮它的電阻溫度係數)。當電流流過它時,它就會發熱,隨著時間的增加其發熱量也在增加。電流與電阻的大小確定了產生熱量的速度,保險絲的構造與其安裝的狀況確定了熱量耗散的速度,若產生熱量的速度小於熱量耗散的速度時,保險絲是不會熔斷的。若產生熱量的速度等於熱量耗散的速度時,在相當長的時間內它也不會熔斷。若產生熱量的速度大於熱量耗散的速度時,那麼產生的熱量就會越來越多。又因為它有一定比熱及質量,其熱量的增加就表現在溫度的升高上,當溫度升高到保險絲的熔點以上時保險絲就發生了熔斷。這就是保險絲的工作原理。們從這個原理中應該知道,您在設計製造保險絲時必須認真地研究您所選材料的物理特性,並確保它們有一致幾何尺寸。因為這些因素對保險絲能否正常工作起了致關重要的作用。同樣,您在使用它的時候,一定要正確地安裝它。

3 保險絲 -構造 

一般保險絲由三個部分組成:一是熔體部分,它是保險絲的核心,熔斷時起到切斷電流的作用,同一類、同一規格保險絲的熔體,材質要相同、幾何尺寸要相同、電阻值儘可能地小且要一致,最重要的是熔斷特性要一致;二是電極部分,通常有兩個,它是熔體與電路聯接的重要部件,它必須有良好的導電性,不應產生明顯的安裝接觸電阻;三是支架部分,保險絲的熔體一般都纖細柔軟的,支架的作用就是將熔體固定並使三個部分成為剛性的整體便於安裝、使用,它必須有良好的機械強度、絕緣性、耐熱性和阻燃性,在使用中不應產生斷裂、變形、燃燒及短路等現象;

電力電路及大功率設備所使用的保險絲,不僅有一般保險絲的三個部分,而且還有滅弧裝置,因為這類保險絲所保護的電路不僅工作電流較大,而且當熔體發生熔斷時其兩端的電壓也很高,往往會出現熔體已熔化(熔斷)甚至已汽化,但是電流並沒有切斷,其原因就是在熔斷的一瞬間在電壓及電流的作用下,保險絲的兩電極之間發生拉弧現象。這個滅弧裝置必須有很強的絕緣性與很好的導熱性,且呈負電性。石英砂就是常用的滅弧材料。

另外,還有一些保險絲有熔斷指示裝置,它的作用就是當保險絲動作(熔斷)后其本身發生一定的外觀變化,易於被維修人員發現,例如:發光、變色、彈出固體指示器等。
  
智能電子保險絲
對於大多數採用電感的非同步整流升壓型開關變換器,其輸入和輸出之間都存在一條直流通路,如圖1所示。該通路的存在會造成兩種不良後果:其一,一旦輸出短路或嚴重過載時間超出幾百毫秒將導致二極體(通常為肖特基二極體)過熱損壞;其二,當由於某種原因,比如人為關閉,使開關振蕩電路停止工作,負載端仍然有電壓存在,只是比輸入端低一個二極體的管壓降而已,這時輸出仍會消耗能量。除此之外,如果該殘存電壓低於負載穩態工作電壓範圍,將使電路處於不確定狀態。
對於輸出電流相對較小的應用場合(小於5A),利用單片電流模式控制器和高端電流取樣技術,上述兩個問題都可以很好地解決。在這些電路中,二極體被一同步整流開關三極體取代,因此通過關閉內部開關三極體就可把輸入輸出通路截斷,這樣一來,負載端對輸入端來說就呈高阻狀態,而這正是所希望的結果。在正常工作狀態,電路內部的高端取樣電阻對負載電流周期性地進行採樣,因此避免了因過流導致災難性後果出現。因此,內部過熱保護電路為變換器提供了安全工作區(SAO)。

其中MAX668是一個開關控制器,由它完成升壓功能。電流反饋型升壓控制器(MAX668)驅動低端邏輯電平N溝道增強型MOSFET,該開關管通過低端電流取樣電阻到地。高端開關是一肖特基二極體,選擇它主要是它具有低的正嚮導通壓降。由圖可見,升壓變換器的拓撲基本結構未被破壞。本應用中,MAX668把3.3V電壓變為5V,負載電流可達3A。
  
其中P溝道增強型MOSFET——Q1是實現負載斷路的關鍵元件。當MAX668在關閉模式時,二極體D1仍然導通,使得MAX810L的電源端的電壓為3.3V減去二極體D1的管壓降。由於MAX810L的複位門檻電平為4.65V,因此其RESET端輸出為高電平,迫使Q1關斷,從而使負載與輸入電源斷開。MAX668通過外部反饋電阻網路設定5V輸出電壓。當輸出電壓超MAX810L的複位門檻電平時,其內部單穩電路開始工作並延時約240ms。之後,MAX810L的輸出變低,使Q1導通。
Q1導通之後,MAX810L一直監測輸出電壓以確定輸出是否過流。過載將會導致輸出電壓下降,當它低於MAX810L門檻電平時,MAX810L的輸出經過20μs的延遲後由高變低,從而關斷Q1並使負載斷開。由於MAX668的升壓作用,MAX810電源端電壓又會高於其門檻電平,240ms的複位延遲時間后,MAX810L輸出再次由高變低,開通Q1並自動再次連通負載。上述過程會一直周期性重複下去,除非移去多餘負載或將MAX668關閉使其停止工作。因此MAX810L和開關Q1一起構成了一個固態開關(電子保險絲)。

MAX810L(微功耗器件)具有非平衡推挽輸出級。當對外輸出電流時,它等效於一個6kΩ電阻;當從外汲取電流時,它等效於一個125Ω的電阻。當導通或關斷Q1時,由於MAX810L的電阻阻止了Q1的密勒電容和柵源電容快速充放電,因此使開關瞬態過程得以減慢。假定Q1總的等效電容為5000pF時,則MAX810汲取電流時(等效於125Ω電阻)大電流三極體的RC電路的時間常數約為0.6μs。整個導通過程電壓瞬態響應時間大約為10RC=6μs。完全關斷同樣開關Q1的時間大約是完全導通時間的48倍。

當外部負載或C2在啟動瞬間要汲取較大電流時,快速導通Q1可能使MAX810輸入電壓低於其複位門檻電壓從而導致複位出現,因此在圖2基礎上再增加一RC網路以減緩其開通過程,合適地選擇R、C可使負載連接過程延續到幾個MAX668開關工作周期,使MAX668的輸出電壓一直高於MAX810的複位門檻電壓。假如R、C使Q1的導通時間延長,同時也延長了關斷時間。因此需要在電阻上並聯一肖特基二極體,以加速當負載過載時關閉Q1的進程。

為了獲得增強型通道及較低的導通電阻,上述電路均需要採用邏輯電平控制的P溝道MOSFET,如果Q1的導通電阻值較大且在其兩端產生較大的壓降(特別是低輸出電壓應用場合或負載離電源的距離較遠時),則應該從Q1漏極端反饋電壓調節輸出。設計電路時,必須最小化寄生參數同時仔細考慮電路布局。利用一個SOT23封裝的低電壓模擬開關(MAX4544)可實現上述遠端調節,該開關受控於MAX810L的輸出,如圖4所示。

根據MAX4544產品參數,其最低工作電壓為2.7V。由於輸入電壓為3.3V,而肖特基的正向管壓降為0.3V,因此即使該升壓變換處於關閉模式,MAX4544(及MAX810)也處於工作狀態。此時,MAX810輸出高電平,MAX4544的公共端COM與其常開端NO(Q1的源極)相連。當MAX668使能時,與MAX4544公共端相連的電阻網路為MAX668提供反饋電壓。由於5V電壓時MAX4544的導通電阻最大可達60Ω,因此為了得到最小輸出電壓誤差,反饋電阻的取值應該很大。由於3V工作電壓時,MAX4544的導通電阻僅為120Ω,因此開關MAX4544引入的誤差電壓很小,即使低輸出電壓也是如此。
當使能升壓變換器,且其輸出電壓超過MAX810的複位門檻電平並經過複位延遲后,MAX810的輸出將由高變低,使Q1導通,連通負載。同時,MAX810輸出的低電平使MAX4544的COM端與NC端(常閉端)接通,使得反饋電阻由Q1的源極切換至Q1的漏極,從而允許從遠離變換器的負載端對輸出電壓進行調節。
上述MAX4544的開關過程也把MAX810的輸入端從Q1的源極切換到Q1的漏極,這樣一來,MAX810可以用來監測負載是否過載。

4 保險絲 -分類 

按保護形式分,可分為:過電流保護與過熱保護。用於過電流保護的保險絲就是平常說的保險絲(也叫限流保險絲)。用於過熱保護的保險絲一般被稱為"溫度保險絲"。溫度保險絲又分為低熔點合金形與感溫觸發形還有記憶合金形等等(溫度保險絲是防止發熱電器或易發熱電器溫度過高而進行保護的,例如:電吹風、電熨斗、電飯鍋、電爐、變壓器、電動機等等;它響應於用電電器溫升的升高,不會理會電路的工作電流大小。其工作原理不同於"限流保險絲")。
按使用範圍分,可分為:電力保險絲、機床保險絲、電器儀錶保險絲(電子保險絲)、汽車保險絲。
按體積分,可分為:大型、中型、小型及微型。
按額定電壓分,可分為:高壓保險絲、低壓保險絲和安全電壓保險絲。
按分斷能力分,可分為:高、低分斷能力保險絲。
按形狀分,可分為:平頭管狀保險絲(又可分為內焊保險絲與外焊保險絲)、尖頭管狀保險絲、鍘刀式保險絲、螺旋式保險絲、插片式保險絲、平板式保險絲、裹敷式保險絲、貼片式保險絲。
按熔斷速度分,可分為:特慢速熔斷器(一般用TT表示)、慢速熔斷器(一般用T表示)、中速熔斷器(一般用M表示)、快速熔斷器(一般用F表示)、特快速熔斷器(一般用FF表示)。
按標準分,可分為:歐規保險絲、美規保險絲、日規保險絲。

按類型分,可分為:貼片保險絲,溫度保險絲,自復保險絲,自恢復保險絲,微型保險絲,超小型保險絲,管狀保險絲。
註:如使用的不是原廠所規定的同規格保險絲有可能造成機器故障,或是引起線路起火,危害自身的安全。最好是使用原廠所規定的同規格保險絲,既可保護設備也可保護確保人身安全。

5 保險絲 -慢速保險絲

慢速保險絲也叫延時保險絲,它的延時特性表現在電路出現非故障脈衝電流時保持完好而能對長時間的過載提供保護。有些電路在開關瞬間的電流大於幾倍正常工作電流,儘管這種電流峰值很高,但是它出現的時間很短,我們稱它為脈衝電流也有稱它為衝擊電流或叫它為浪涌電流。普通的保險絲是承受不了這種電流的,這樣的電路中若使用的是普通保險絲恐怕就無法正常開機了,若使用更大規格的保險絲,那麼當電路過載時又得不到保護。延時保險絲的熔體經特殊加工而成,它具有吸收能量的作用,調整能量吸收量就能使它即可以抗住衝擊電流又能
對過載提供保護。標準對延時特性都有規定,若標準的規定特性無法滿足要求時,可與製造商聯繫以得到解決。保險絲的額定電流是否就是使保險絲熔斷的電流?不是。應該僅將它看成是一種規格的標稱,而流過保險絲的電流大到何種地步、何時熔斷這在保險絲產品標準中對它有詳細的規定,又因標準的不同而規定有所不同。保險絲有一個「熔斷係數」其值大於「1」(一般在1.1至1.5之間),它是「常規不熔斷電流」與「額定電流」的比值。由此可以看出,即使流過保險絲的電流大於它的額定電流而未超過常規不熔斷電流,保險絲也不應該發生熔斷現象。      

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