可更換保險絲接觸電阻研究

陳焱飆

（中國電子科技集團第三十研究所，四川成都，610041）

保險絲通常作為電路發生故障或異常過流時的保護器件，其自身故障將導致整個電路系統斷電。所以保險絲的可靠性是產品設計時不可忽視的問題。

觸點的接觸電阻是保證電連接器能正常可靠地工作的最基本的電氣參數之一，直接影響電接觸系統的可靠性。觸點的接觸電阻大，會使電接觸系統發熱量大，產生更高的溫升和更大的功耗，在系統工作時有可能發生早期熔焊或粘結，嚴重時將導致電接觸失效，因此，國內外學者都將接觸電阻的研究作為電接觸可靠性的核心問題[1]。

1 接觸電阻定義和影響因素

觸點的接觸形式分為點接觸、線接觸、面接觸。保險絲觸點宏觀上看是面接觸，但是材料之間的接觸面無論經過多么細致的加工處理從微觀上分析其表面總是凹凸不平、不連續的，材料之間并不是整個面積接觸，而只是由若干小的突起部分相接觸，見圖1，由此產生的附加阻值稱為接觸電阻[2]。

圖1 接觸電阻示意圖

不同材料通過接觸面接觸后 接觸電阻包括收縮電阻和表面膜電阻。即當電流通過實際接觸面積時，電流只從接觸點通過，并被迫發生收縮，因此產生收縮電阻；此外由于種種原因，在材料接觸表面往往覆蓋著一層導電性很差的薄膜，比如金屬的氧化物、硫化物、灰塵等，或者是加載接觸面間的油膜、水膜等，由此形成的附加電阻稱為表面膜電阻。因此，由收縮電阻、 膜層電阻引起的總電阻稱為接觸電阻：

式中：RJ指的是接觸電阻，Rb指的是膜電阻，Rs指的是兩個接觸面上的收縮電阻。

接觸電阻的形成是一個非常復雜的過程，涉及到材料、機械結構、腐燭、磨損、鍍層、負載等多方面因素的影響，經學者多年研究，總結出了其根本的影響因素作用機理以及影響范圍。對于大電流觸點，主要影響因素有接觸壓力、表面粗糙度、鍍層、環境等[3、4]。

同時國內外學者總結了接觸電阻的計算公式，但由于其模型較為理想，與實際情況存在一定偏差，工程中通常采用伏安法實際測量保險絲接觸電阻。圖2是接觸電阻的測量電路圖，圖中Rj代表電連接器的接觸電阻, Vm代表測量的電接觸電壓，Vin為電源電壓，接觸電阻可按下式計算：

圖2 接觸電阻的測量電路圖

2 保險絲結構分析及接觸電阻測量

為了維修方便，電子設備通常使用的可更換保險絲，該種保險絲結構如圖3所示，保險絲管與保險絲座通過彈簧壓緊，兩端電路分別與彈簧和金屬片相連。當電路中出現異常電流時，保險絲管中的保險絲熔斷，使整個電路開路，從而保護功能電路和器件。由于金屬本身電阻值很低，保險絲回路電阻由保險絲管電阻和兩側觸點接觸電阻組成。

圖3 保險絲結構示意圖

根據接觸電阻理論，彈簧壓力、保險絲和接觸金屬片的表面粗糙度、鍍層以及保險絲使用環境，皆會影響保險絲接觸電阻。本文以LitteFuse保險絲340 313為例，進行接觸電阻的具體測量和分析。根據產品資料手冊，對于一個20A保險絲座，其標稱接觸電阻小于5 mΩ，保險絲管本身電阻為3 mΩ。

將試驗樣品分為3組，第一組試驗樣件為未做處理的保險絲；第二組試驗樣件用手指接觸后放置于空氣中放置一周；第三組試驗樣件按照GJB150.11A《軍用裝備實驗室環境試驗方法 鹽霧試驗》進行鹽霧試驗96h。將處理后的試驗樣品用伏安法測量其接觸電阻，得到數據如表1所示。

表1 各樣品組保險絲接觸電阻

處理后的樣品外觀均有不同程度變化，手指汗漬污染保險絲表面后，發現表面生成了很多“白斑”；鹽霧試驗后，保險絲表面金屬外殼失去光澤，用手撫摸有阻滯感，有明顯的銹蝕和外來物堆積。

根據試驗結果可知，正常情況下的保險絲接觸電阻滿足其指標要求，但污漬、異物和惡劣環境對保險絲接觸電阻影響較大，經過處理的保險絲接觸電阻均發生不同程度的增大。

3 熱仿真分析

電流通過保險絲時會產生熱效應，假設通過保險絲的電流為10A，保險絲接觸電阻為27mΩ，保險絲管自身阻值為3 mΩ，根據公式P=I2×R可計算得到保險絲接觸面的發熱功率為2.7W，保險絲管的發熱功率為0.3W。在6Sigma有限元分析軟件中，建立保險絲模型，進行仿真分析，環境溫度設為50℃，結果如圖4所示。

圖4 保險絲管溫度分布圖

圖5 保險絲座溫度分布圖

改變接觸電阻阻值經行多次仿真，得到保險絲焊點溫度與電阻的關系曲線如圖6所示。焊錫熔點為230℃，由仿真可知：在環境溫度50℃，電流10A的情況下，當保險絲回路電阻達到30mΩ時，保險絲管焊點溫度達到232℃，焊點焊錫出現融化，保險絲可能出現異常開路。因此要保證保險絲可靠工作則必須嚴格控制保險絲接觸電阻。

圖6 保險絲電阻與焊點溫度趨勢圖

4 實驗驗證

為了驗證接觸電阻增大造成的影響，選取經過處理的接觸電阻較大的保險絲進行加電高溫試驗，試驗環境溫度為50℃，通電電流10A。試驗過程中保險絲出現異常斷路，用紅外溫度測試儀測量保險絲座外部溫度114℃，與仿真結果吻合較好。取出保險絲觀察，可發現保險絲并未熔斷，兩側有焊錫溢出。

5 結束語

普通保險絲觸點通常是片簧結構且未做鍍金處理，在濕熱、鹽霧等惡劣環境下接觸電阻表現并不穩定。對于電流10A以上的設備，需要謹慎選取保險絲，否則長期使用過程中隨著保險絲觸電接觸電阻增加，保險絲因為熱效應容易出現異常斷路，造成設備失效。