保險元件在電子線路中的應用研究

摘要：一般電子線路中都要采用過電流保護與過熱保護這兩種方法中的一種或兩種，來形成對電路故障情況下的系統保護。而保險絲作為最簡單有效的過電流保護元件，幾乎在所有的電子設備中得到了應用。是否準確地根據電路系統的實際情況而選用合適的保險絲，將直接決定電子設備能否正常安全工作。本文詳細介紹了保險絲主要性能指標的實際含義，同時給出了一般電子設備中選擇使用這類保險絲的方法。

關鍵詞：電子線路 保險元件

保險絲的功能分為過電流保護與過熱保護，在電子電路中針對電流敏感的薄弱環節起到保護作用。本文僅介紹用于過電流保護的保險絲（也叫限流保險絲），其功能主要是在額定電流負荷下可靠安全地熔斷，從而為電路及其元件提供保護。當電路出現故障、電源被短路或電流過大時，保險絲的作用是將電路同電源及時斷開，保證電子設備整體免受破壞。因此在電子設備的安全工作中，保險絲的作用不可或缺。

1 保險絲的主要參數分析

1.1 環境溫度：指直接環繞熔絲周圍的空氣溫度。在許多實用場合，熔絲的溫度相當高，這可能因為熔絲是封閉安裝的（如裝在封閉的保險絲管座中），或安裝在其他發熱元件（如電阻、變壓器等）附近等。保險絲是溫度敏感元件，其各個參數是在25℃環境溫度下確定的，保險絲的熔絲溫度與環境溫度密切相關。

1.2 熔斷額定值：指熔絲在額定電壓下確保熔斷的最大電流。當電流很大甚至電路短路時，保險絲能可靠地切斷電路并避免附帶損壞。應用保險絲的電路必須確定其預期故障電流小于產品標準規定的額定值，以免保險絲熔斷時會出現連同接觸件一起熔融、持續飛弧、引燃、保險絲標記無法辨認等現象。

1.3 電流額定值：指標注在產品上的標稱安培數。保險絲的工作電流不應超過標稱電流值的75％，這是因為該標稱電流值是采用經控制的試驗條件（25℃）確定的。這些試驗條件是美國保險商實驗室標準198G“輔助過流保護用熔絲”的一部分。實際上，設置這些經控制的檢測條件的目的是使保險絲制造商能夠使其產品的性能標準保持統一，因此電路設計師必須清楚使用熔絲時的各種變化條件。為了補償這些變化，加給保險絲的負荷通常應有25%的保險余量。

1.4 電壓額定值：是指保險絲所能承受的最大電壓。保險絲通電時，其所承受的電壓通常小于額定值。因此在選用保險絲時，注意額定電壓等于或大于有效的電路電壓即可。

1.5 電阻：保險絲的電阻值與其額定電流成反比。通常保險絲的阻值越小越好，阻值越小，功耗越小。冷電阻是指工作電流小于額定值10％的條件下的電阻值。熱電阻是指額定電流的條件下的電阻值。當保險絲的額定電流小于1A時電阻對低壓電路的影響較大，所以在低壓電路中應考慮這一因素。

1.6 時間－電流特性曲線：反映保險絲的過載性能或熔斷特性，當工作電流超過其額定電流時，熔絲的溫度會逐漸上升直至最后熔斷。時間－電流特性曲線反映保險絲在不同的過載電流下的熔斷時間的平均值。不同規格的保險絲，即便類型相同，其I－T特性也有所差異。如圖1所示。圖中給出了力特（Littelfuse）公司用于一般家電產品的IEC規格5×20mm玻璃管、慢熔斷、中強分端能力保險絲的平均時間－電流特性曲線。

這個曲線說明保險絲不但具有一定的過載能力，而且在必要時又能及時熔斷。不同型號的保險絲，過載能力是有差異的。在選擇熔絲時必須注意時間一電流特性曲線，因為相同額定電流值的熔絲并不意味著具有相似的特性曲線。熔絲規格中一般包括工作電流等于額定值和超過10%時的壽命要求及過載電流（超過額定值35%或100%）時的最大斷路時間。

1.7 熔絲熔斷性能：指熔絲對各種電流負荷的響應速度。熔絲的熔斷性能可分成超快熔斷型、快熔斷型和慢熔斷型等三類。保險絲產品手冊中一般都會給出熔斷特性表。

以IEC規格5×20mm慢熔斷保險絲為例，如表1所示。

1.8 標稱熔化熱能值I2t：當被保護電路有容性或感

性儲能元件時，則電路的接通或斷開會在電路內產生浪涌電流（如開關電源的輸入整流電路），來自外界的雷電或其它強脈沖干擾，也會有持續時問很短的大電流脈沖注入系統。這種持續時間短（t<10ms），電流幅度很大的強脈沖對保險絲是有害的。標稱熔化熱能值I2t表示保險絲承瞬間大脈沖電流的能力。而這個參數僅取決于熔絲的材料及其形狀，與溫度及電壓無關。

2 保險絲選用的技術依據

2.1 工作電流與環境溫度的關系。保險絲的工作電流一般要比額定值減少25%，以避免非正常熔斷。常用保險絲采用的材料具有較低的熔化溫度，因此保險絲對環境溫度的變化比較敏感。例如一個電流額定值為2A的保險絲，在25℃環境溫度下工作電流通常不能大于1.5A。

此外，環境溫度、工作溫度與保險絲的電流承載能力、壽命成反比。實踐表明，在室溫下實際工作電流不大于保險絲額定電流數值的75％時，保險絲可以無限期正常工作。

圖2反映出環境溫度與電流承載能力的關系。

其中：曲線A為一般慢熔斷保險絲。曲線B為特快熔斷、快熔斷保險絲的。曲線C為自恢復保險絲的曲線I線。

實際選用時不但要常規降額，還要考慮環境溫度的影響。

例：某電子設備給定的正常工作電流為1.5A，在70℃高溫的環境溫度下工作。就必須注意環境溫度的影響。根據圖中的曲線A（慢熔斷保險絲），70℃時的最大工作電流為額定值的80％，因此：選用熔絲額定值＝正常工作電流/（0.75×額定值百分比）＝1.5A/（0.75×0.80）＝2.5A。

2.2 過載電流與熔斷時間的關系。過載電流是指要求保險絲斷開的非正常電流，電路因此而需要保護。要充分考慮時間－電流特性曲線，掌握不正常電流存在的最短和最長時間允許值；同時還應注意時間－電流特性曲線反映平均數值這一特點，確保選定的保險絲特性符合電路的需要。

2.3 故障電流閥值。保險絲的熔斷額定值應滿足或超過電路中的故障電流值。

2.4 脈沖、沖擊電流、浪涌電流、啟動電流和電路瞬變值。有些電路在開關瞬間會產生“沖擊電流”、“起動電流”、“浪涌電流”。普通的保險絲難以承受這種電流，但使用更大規格的保險絲，又起不到應有的保護作用。慢斷或延時保險絲具有吸收能量的作用，對這種吸收能量的特性進行控制，能夠兼顧對抗沖擊電流和提供過載保護。

2.5 工作電壓。保險絲的電壓額定值應大于等于有效的電路電壓。由于熔絲主要對電流的變化敏感，熔絲可以在小于其額定電壓下使用而不影響其特性。在短路的條件下，熔絲上出現的最大功率電平只能產生低能量的非破壞性電弧，因此熔絲也可在高于電壓額定值的各種電壓下使用。

2.6 尺寸與安裝方式。實際應用中要根據安裝方式以及安裝位置要求選擇不同結構與體積的保險絲。同時還要兼顧維修、識別等問題。

2.7 保險絲的焊接。大多數保險絲的結構中有焊接接頭，而焊接會對保險絲的特性產生影響。保險絲類似于半導體的熱敏元件，焊接熱量可能使焊料回流而改變保險絲的額定值。因此，在焊接保險絲時最好采用吸熱裝置。

2.8 產品認證。保險絲對電子設備的安全具有決定性作用，因此必修選用具有認證標記（證書）如UL、VDE、CSA的產品，這也是整機產品認證的必備要求。

3 結語

保險絲是電子線路和電子設備的主要安全屏障。因此在選擇和使用保險絲時，必須注意研究保險絲的相關性能參數，掌握各種工況條件及其相互關系，了解產品標準，做到正確選擇、合理使用，這樣才能保證保險絲發揮應有的保護作用。

參考文獻：

[1]Littelfuse公司產品手冊，2005.

[2]Walter公司產品手冊，2005.

[3]陳傳虞.電子節能燈與電子鎮流器的原理和制造，北京：人民郵電出版社，2004.

作者簡介：周彩根（1964－），男，高級工程師，研究方向：機電及電子技術應用。