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保护元件知识，保险丝选型和应用

发布时间： 2024-07-22

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保险丝作为电路发生故障或异常过流时的保护器件，在选用时过大或过小都会引起安全隐患。目前关于保险丝的介绍和使用的资料很多，但对保险丝一些重要参数的理解和重视程度不够，造成在实际应用中出现选型不当，没有达到保护电路的目的。此篇文档侧重点是针对这些参数给出正确的解释和理解，供电路从业者参考。

保险丝包含的参数有：电流、电压、环境温度影响、热熔值、熔断速度等重要参数，同时还有：熔断特性、分断能力、电压降、温升、电阻特性、和交直流属性方面参数。其中电流、电压、环境温度影响、热熔值、熔断速度是选用时必须要考虑的。下面一一介绍各参数意义和注意点。

1 额定电流(In)

标注在保险丝上的额定工作电流，代号是 In。为该保险丝所能载的电流。额定电流必须大于被保护电路的实际工作电流，同时考虑到国际标准规定的降额。

IEC 规定：不用降额(CE 认证)

UL 规定：0.75 降额 (UL 认证)

正常选用时，一般都考虑 0.75 降额。对于单板的工作电流，应注意是允许的最低电压下的电流。例如额定电压是 -48V 的，允许 20%的波动(小于等于 12V 的 2 次电压允许波动范围为±10%)。如果单板在 -48V 时的工作电流是 0.8A，由于单板的功率恒定，则在 -38.4V 的工作电压下的工作电流大约为 1A。在选择保险丝时，就应该以 1A 作为单板的工作电流。在输入电压范围比较广的应用中，这一点要特别注意。

对于所选保险丝额定电流的上限，建议如表 1 所示。

注 1：针对风扇此类带电动机的负载，工作电流按照风扇规格书里面的最大平均电流确定。

注 2：针对两个保险丝并联情况，因为并联保险丝的电路工作电流都比较大，如果按照上述原则选择保险丝时，可能造成保险丝额定电流和实际工作电流差值过大，存在隐患。建议每个保险丝按照 0.85 降额进行选择。比如工作电流 40A，分摊到每路是 20A。保险些额定电流选择为：20/0.85=23.5，实际可选用 25A 的保险些。两路加一起是 50A。

2 额定电压(Un)

标注在保险丝上的额定电压，代号是 Un。表示该保险丝可以被使用的最大工作电压电路。保险丝可以在不大于其额定电压的电路下使用，不能用在电路电压大于保险丝额定电压的电路中。

选用额定电压时，不需要考虑降额。

一般保险丝的标准电压额定值为 32V、60V、125V、 250V、300V、500V、600V。

例如：12V 或 24V 的设备可选用 32V 或 63V 的保险丝系列；

48V 或 60V 的设备可选用 63V 或 125V 的保险丝系列；

100V 或 220V 的设备可选用 125V 或 250V 的保险丝系列。

注 3：有些保险丝标有额定电压为交流电压或直流电压之分，原则上交流保险丝和直流保险丝不能混用。额定电压为直流的只用在直流电路中。有的保险些额定电压标注交流、直流电压都有，或者不区分交直流，可以通用。

注 4：在一些小电压电路上，比如 3.3V 或 5V 等，避免使用保险丝，以免保险丝引起的压降造成负载欠压。如果一定要使用，严格计算一下压降。

3 温度折损率(Tf)

保险丝参数温度折损率(Tf )，是考虑保险丝在高温工作情况下的情况。保险丝规格式给出的额定电流是在 25℃环境温度下进行的。环境温度越高，保险丝的工作温度就越高，额定电流值越低。相反，在较低的温度下运行，保险丝额定电流值将会提高。因此选择保险丝额定电流的时候，要根据保险丝实际工作环境温度调整保险丝额定电流值。保险丝规格书都有一个温度折减率图，如图 1 所示。如果保险丝周围环境温度 70℃，那就要在原来基础上降额 10%选型。

图 1 保险丝温度折减曲线图

在设计时都根据单板实际温度情况，在进行额定电流降额后，一般再进行 0.95 降额选择保险些额定电流[1]。比如电路正常工作电流 2A，那选择保险丝额定电流时， In= 正常工作电流 /(标准降额 * 工作温度降额)＝2/(0.75 *0.95)＝2.81A。选择额定电流为 3A 的比较合适。

4 热熔值(I2 t)

保险丝熔化所需的能量值，其代号是 I 2 t ，单位 A2 Sec。这个参数往往在选型设计时容易被忽略，从而造成在实际应用中莫名其妙的出现问题，比如启动时保险丝熔断，瞬态冲击造成金属氧化物半导体失效，都是这个参数选用不合理造成。不考虑这个参数，就无法定位问题的原因。热熔值保险丝本身的一个参数，由保险丝的设计决定，每种规格的保险丝只有一个额定的公称热熔值。这个参数代表保险丝在受到瞬间冲击时，所能承受瞬间冲击能力。在确定保险丝的热熔值之前，首先要知道被保护电路可能存在的瞬态冲击能量。被保护电路内瞬时冲击电流的幅值和持续时间所形成的能量应小于所选用的保险丝的热熔值的 0.22 倍，确保保险丝可承受 10 万次以上瞬时冲击电流。

在确定保险丝的热熔值时，选用保险丝的热熔值 A2 S 应小于被保护电路中的元器件损坏能量的 A2 S，避免大的瞬间冲击通过保险丝对被保护的元器件造成伤害。另外针对带电动机的感性负载(比如风扇)，上下电时都有个瞬间冲击。在设计阶段，这些负载在上下电瞬时形成的最大瞬间冲击能量数据可找厂家索要，从而针对数据来选择合适的保险丝。

瞬时冲击电流的幅值和持续时间所形成的能量如何计算[2]，如图 2~ 图 5 所示。

(1)正弦电流

计算公式为如下，其波形如图 2 所示。

图 2 正弦电流波形图

(2)三角波电流

计算公式如下，其波形如图 3 所示。

图 3 三角波电流波形

(3)脉冲电流

计算公式为如下，其波形如图 4 所示。

图 4 脉冲电流波形

(4)矩型电流

计算公式如下，其波形如图 5 所示。

图 5 矩形电流波形

5 熔断速度

保险丝的熔断速度分为快熔保险丝 (Fast Acting Fuse)和慢熔保险丝(Slow/Time Delay Fuse)。它们主要区别在于两者的公称热熔值 I 2 t 不同，在标称相同的额定电流和额定电压条件下，慢熔断保险丝的 I 2 t 要比快熔断保险丝大的多。慢熔断保险丝和快熔断保险丝的熔断时间差别主要体现在当工作电流达到保险丝标称额定电流的 200%左右时，快熔断保险丝的熔断时间一般为几百毫秒；而慢熔断保险丝在此条件的熔断时间一般为几秒。但当工作电流达到保险丝标称额定电流的 800% 或更大时，两者的熔断时间就没有多大的区别，都要求在几毫秒断开。保险丝这个参数特性也体现在保险丝规格书里面的时间 - 电流特性曲线上，快熔断保险丝熔断比慢熔断保险丝熔断快。

慢熔保险丝和快熔保险丝选取原则如下：

(1)慢熔保险丝能够承受大能量瞬间冲击，通常用在电路状态变化时有较大瞬态电流的感性或容性电路中。如果工作电流是不稳定的脉冲波形电流，原则上要选用慢熔断的保险丝。

(2)快熔保险丝保护一些较恒定电流的电路，或瞬态冲击电流较小的电路。有些使用大电容的电路也会出现比较大的瞬间冲击电流，需要通过实际测试和分析验证快熔保险丝的热熔值能否满足电路中产生的冲击电流的能量。

(3)针对带电动机的感性负载(比如风扇)电路，原则上要选用慢熔保险丝。慢熔保险丝在防冲击电流方面比快熔保险丝有优势，但有一个不安全因素，在控制的电路电流异常时，这种异常电流很大但无法将保险丝及时熔断，就会造成能量积累，严重时引起单板燃烧。快熔保险丝就没这个安全隐患。所以针对风扇电路，在额定电流和热熔值都满足选择原则下，能选择快熔保险丝则选择快熔保险丝，如果热熔值无法满足，则考虑选择慢熔保险丝。

6 分断能力(Ir)

分断能力的代号是 Ir，又称额定短路容量(breaking capacity/interrupting rating)，即在额定电压下，保险丝能够安全分断的最大电流值(交流电为有效值)，不发生破碎或爆炸，不引起危险。它是保险丝重要的安全指针。

选择原则：保险丝所在电路中可能出现的最大短路电流不应超过保险丝的额定分断能力。超过分断能力电流，就会产生安全危险。分断能力基于电压数值而不同，如表 2 所示。