保险丝插座连接器温升设计及测试

2018-03-20

机电元件 2018年1期

(贵州航天电器上海研发中心，上海，200436)

1 前言

在网络通讯设备中，电源连接器可用于给配电盒传输电流。当电源系统提供的电流大于设备能承受的额定电流时，设备会受到损坏，此时需要断开电路，因此要在连接器上增加一个保险丝来管控电流，当保险丝通电时，由电能转换的热量使可熔体的温度上升，当温度达到和超过可熔体的熔点时，就会使可熔体融化、熔断而切断电流，起到了安全保护电路的作用。为此，我们开发了一款保险丝插座连接器，当电路出现超载电流时，保险丝熔断，同时LED亮红灯,由此实现断路及报警的功能。

2 产品介绍

插头及保险丝插座如图1所示。

图1 插头和保险丝插座

产品的性能要求如下：

a)额定电流：36A；

b)额定电压：60V；

c)接触电阻≤3mΩ；

d)耐电压：1500V(AC)/分钟；

e)工作温度：-40℃～+105℃；

f)盐雾：48h；

g)湿热循环：96h；

h)温升：不大于30℃，(插头和插座接触位置温升小于30度，保险管位置温升小于45度)。

2.1 设计原理

为便于保险丝的更换，保险丝插座分为两体式结构：保险丝插座合件1和保险丝插座合件2。保险丝插座合件2组件中装有保险丝，保险丝插座合件2装入保险丝插座合件1，形成完整的保险丝插座,如图2。

保险丝插座合件2中除了保险丝之外还有与之并联的电阻与LED灯，电阻与LED灯通过弹片卡接的形式串联在一起，同时，串联后的电阻与LED灯通过弹片与保险丝形成并联电路的连接,如图3。

保险丝插座合件1中有与机柜内部电源连通的正、负极接触件，同时要有与保险丝插座合件2中的保险丝配合导通的接触件，如图4。

图2 保险丝插座主要结构

图3 电路组装图

图4 接触件与保险丝配合图

2.2 电流过载保护功能的设计

产品的功能要求在电流过载的情况下，电路会有警示作用的LED灯来指示电路的通断，这就要求在正常的情况下，电路中的电流是经过保险丝形成的回路，当电流过载，保险丝熔断的时候，电路通过另外的一条电路来形成电流回路，并且要有LED灯的点亮来指示电路中的电流已经过载，基本的电路形式[1]如图5。

基于产品的电路特点，要求在设计的时候，电阻与LED灯要串联后再与保险丝形成并联电路，结构如图3，电阻与LED灯通过弹片1连接形成串联电路，保险丝与电阻、LED通过弹片2形成并联的电路连接。

图5 功能电路图

2.3 连接器热源分析

对于电源产品，温升是一项至关重要的指标，根据IEC的标准，正常的使用情况下，产品的温升不能超过30℃[2]；产品的温升影响因素主要是工作的电流、接触件的材料、长度、横截面,使用环境等因素。

接触件材料选择导电率较好的紫铜材料作为产品的接触件，同时根据标准对接端的尺寸要求，厚度选择0.8mm，最长接触件的长度为54.9mm，最小横截面积5.68mm2，在满足温升不超过30℃的情况下的温度上升计算如下：

△T=J2*L2/2*γe*κ*A2

(1)

式中，△T：温升；J：电流值；L：接触件长度；γe：接触件导电率； A：接触件横截面积；κ：热导率。

由(1)△T=302*54.92/2*97*226*5.682=1.917℃<30℃。由理论的计算，接触件的设计满足设计要求。

经测试插头和插座接触件对接的接触电阻为0.5 mΩ，保险丝的体电阻为1.4 mΩ[3],为产品的主要发热源，这为温度测试点的选择提供了依据。密封环境下空气不流通，金属接触表面的不规则性会对温度的测试结果有影响[4]。

3 温升测试步骤

a.在分析的基础上向硬件设计人员和热设计人员了解各单板关键元器件和发热元件的位置及名称，产品对热设计的规格要求，测试选择器件的温度判定参数的限值要求及器件的热性能参数，与设计人员充分沟通，了解热设计文档。

b.确定测试内容，拟定测试方案，然后绘制有关测试表格，选择测点。测点的选择不能盲目，必须在分析的基础上找出关键点和热点器件作为测点。

c.配合相关测试人员，完全按照标准配置实验环境。

d.将所有热电偶的正负级导线接到数据采集器的通道接线端子上，并在热电偶的接线端和测量端附近贴上标签标明通道号。开启数据采集器，观察各热电偶的监测温度是否与室温吻合，然后用手捏住探头，观察温度是否迅速上升，如果有异常点，则表明热电偶感温端断开或导线连接不当，应及时处理。

e.布置热电偶并固定。热电偶可以从单板拉手缝隙及其他缝隙引出机箱或机柜，因此可以在不破坏设备工作现场的前提下同时进行多路温度测量[5]。

f．接通设备电源，要求检验人员配合加测试负载，使设备在额定功耗下工作，监视测点的温度变化，如果有元气件的温度超过允许的最高温度，要终止试验。待达到温度稳定后，记录并保存测试数据。当发热元器件表面温度每小时变化波动范围在±1℃内时，可以认为达到稳定温度。一般数据器件稳定时间在设备加热后至少需要1.5小时，模拟器件加电后至少2小时，有条件则尽量延长稳定时间。若在设备加电状态下更换了散热条件，需要至少0.5小时的稳定时间。如果测试采用较先进的显示温度变化曲线的测试仪，可通过温度曲线来判定温度是否达到稳定状态。

g．如果还要进行其他方案的测试，需要等温度再次稳定后，再记录新的数据。

h．温度测试数据的后处理，必要时对测试数据进行直观的图表处理，便于分析和出测试报告。