熔断机制：熔断器原理与作用

面包板社区 2019-12-16 08:13

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熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统喝控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护。

熔断器一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用。

熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管(绝缘座)组成。使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生短路故障时，熔体被瞬时熔断而分断电路，起到保护作用。

常用的熔断器

(1)插入式熔断器

如图1所示，它常用于380V及以下电压等级的线路末端，作为配电支线或电气设备的短路保护用。

图1 插入式熔断器

1-动触点 2-熔体 3-瓷插件 4-静触点 5-瓷座

(2)螺旋式熔断器

如图2所示。熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到，它常用于机床电气控制设备中。螺旋式熔断器。分断电流较大，可用于电压等级500V及其以下、电流等级200A以下的电路中，作短路保护。

图2 螺旋式熔断器

1-底座 2-熔体 3-瓷帽

(3)封闭式熔断器

封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，如图3和图4所示。有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等级500V以下、电流等级1KA以下的电路中。无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式圆筒中，分断能力稍小，用于500V以下，600A以下电力网或配电设备中。

图3 无填料密闭管式熔断器

1-铜圈 2-熔断管 3-管帽 4-插座 5-特殊垫圈 6-熔体 7-熔片

(4)快速熔断器

它主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有V形深槽的变截面熔体。

(5)自复熔断器

采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当电路发生短路故障时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而限制了短路电流。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。

工作时，熔断器串连在被保护的电路中。当电路发生短路或严重过载时，熔断器中的熔断体将自动熔断，起到保护作用，最常见的就是保险丝。

参数选择

(1)熔断器额定电压应符合电动机的运行电压。熔断器的工作电压与其熔管长度及绝缘强度有关。不能把熔断器用在高于其额定电压的回路中去，也不能把大熔片装到小溶断管中去。

(2)熔断器的额定电流应大于电动机回路长期通过的最大工作电流。

(3)熔断器的极限断路电流应大于流过的最大短路电流。用以保证切断故障电流时，不致烧毁熔断器。

(4)熔件的额定电流应按下列三个条件选择：

①按正常工作条件选择：

电动机起动电流可达(4～8)IeD，起动持续时间约为5～10s。在此条件下，熔断器既不应老化，也不能熔断。

具体的熔断器特性应按生产厂家供给的曲线，由试验得知，熔断器的额定电流约为最大通过电流的一半时，可满足上述要求。

断路器，俗称"空气开关"，也是一种短路保护器，当过流时，它会自动跳闸，起到保护作用;熔断器、断路器都是保护电器。但它们不是一样.断路器是总称，它分为两种——框架式断路器和塑料外壳式断路器。框架式断路器俗称万能断路器;塑料外壳式断路器俗称空气开头。他们具有短路和过载保护，可重复使用。寿命一般在几千次到几万次。熔断器是靠熔体熔化保护线路的一种电器，不可重复使用。保护以后需要更换熔体。

熔断器与断路器的区别：

他们相同点是都能实现短路保护，熔断器的原理是利用电流流经导体会使导体发热，达到导体的熔点后导体融化所以断开电路保护用电器和线路不被烧坏。它是热量的一个累积，所以也可以实现过载保护。一旦熔体烧毁就要更换熔体。

断路器也可以实现线路的短路和过载保护，不过原理不一样，它是通过电流底磁效应(电磁脱扣器)实现断路保护，通过电流的热效应实现过载保护(不是熔断，多不用更换器件)。具体到实际中，当电路中的用电负荷长时间接近于所用熔断器的负荷时，熔断器会逐渐加热，直至熔断。像上面说的，熔断器的熔断是电流和时间共同作用的结果起到对线路进行保护的作用，它是一次性的。而断路器是电路中的电流突然加大，超过断路器的负荷时，会自动断开，它是对电路一个瞬间电流加大的保护，例如当漏电很大时，或短路时，或瞬间电流很大时的保护。当查明原因，可以合闸继续使用。正如上面所说，熔断器的熔断是电流和时间共同作用的结果，而断路器，只要电流一过其设定值就会跳闸，时间作用几乎可以不用考虑。断路器是现在低压配电常用的元件。也有一部分地方适合用熔断器。

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简单的系统保护：

最简单的电子电路保护形式是具有恰当额定值的保险丝。为应用开发适当解决方案时，有各种保险丝可供选择，包括但不仅限于快熔断、慢熔断、多状态以及智能保险丝等。保险丝之所以种类繁多，是因为每一款都有其自身问题。

快熔断保险丝的特点正如其名，熔断速度快，这意味着故障跳变的可能性很高，会导致产品召回。因此，如果要选择这种保险丝，应当对其进行优于 50% 的调降，也就是说 5A 的电轨应选择额定值超过 10A 的保险丝，以避免应用中出现假故障。

慢熔断保险丝断开所需时间较长，但仍会出现故障跳变。因此这里也建议执行至少 50% 的调降。

多状态保险丝有一个非常好的特性，即错误清除后能够以极低的成本进行高效恢复。每次跳变后，后续跳变点阀值就会降低，也就是说更容易发生跳变。因此，误跳变几率会随时间的推移而升高。

智能保险丝或三端保险丝是既可通过指令熔断，也可因过流而熔断的器件。通常，这种保险丝不但成本比以上方案高很多，而且还需要电源电压保持在一定的高度，才能真正熔断保险丝。否则，在出现故障时所有部件都会变得很热，而且可能不会引起安全关断。

所有这四种方案都具有会导致故障跳变的两大主要问题。首先，它们无法限制上电时或掉电后进入系统的浪涌电流。其次，由于它们都需要调降，因此可能会允许充足的电流通过系统故障部位，使故障电路进一步发热，导致更严重的故障。例如，一个额定5A 的 12V 系统可能会试图使用 10A 甚至更高额定值的保险丝。在短路且电源工作良好的情况下，这可能会为故障电路输入高达 120W 的功率。

浪涌管理

大部分故障跳变都是由浪涌电流导致的。最大限度降低浪涌电流的低成本方法可能是采用一个 P 通道 FET 和几个电阻器电容器实施(图 1)。

图 1. 简单的浪涌管理解决方案

当然，该电路在开始工作时，就会出现输入电压。因此通常要等到检测到输入电源良好的信号后才能启动电路。图 2 给出了一种可行的实施方案，即采用一个视窗压缩器 (compactor) 来确保 12V AC 适配器电压处于 10.8 与 13.2V 之间。只要TPS3700 等宽泛电源电压视窗压缩器能看到适配器处于有效电压视窗范围内，就可启用通过 Q1 的电源路径。

图 2. 将 TPS3700 用作 AC 适配器检测器

这可能适用于一部分设计，但这些方案也有几个固有的问题：

取决于负载电容的大小，这两种方案都可能会超出 FET 的安全工作范围 (SOA);

一旦启用就无法限制进入负载的电流;

如果负载短路，FET 很可能启动失败。这种情况可能发生在保险丝之前，因此最好的缓解方法是使用额定值远远高于应用所需功率耗散的 FET，因此，这也是一个更高成本的解决方案。

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