可更换保险丝接触电阻研究

2021-08-21陈焱飙

电子制作 2021年14期

陈焱飙

（中国电子科技集团第三十研究所，四川成都，610041）

保险丝通常作为电路发生故障或异常过流时的保护器件，其自身故障将导致整个电路系统断电。所以保险丝的可靠性是产品设计时不可忽视的问题。

触点的接触电阻是保证电连接器能正常可靠地工作的最基本的电气参数之一，直接影响电接触系统的可靠性。触点的接触电阻大，会使电接触系统发热量大，产生更高的温升和更大的功耗，在系统工作时有可能发生早期熔焊或粘结，严重时将导致电接触失效，因此，国内外学者都将接触电阻的研究作为电接触可靠性的核心问题[1]。

1 接触电阻定义和影响因素

触点的接触形式分为点接触、线接触、面接触。保险丝触点宏观上看是面接触，但是材料之间的接触面无论经过多么细致的加工处理从微观上分析其表面总是凹凸不平、不连续的，材料之间并不是整个面积接触，而只是由若干小的突起部分相接触，见图1，由此产生的附加阻值称为接触电阻[2]。

图1 接触电阻示意图

不同材料通过接触面接触后接触电阻包括收缩电阻和表面膜电阻。即当电流通过实际接触面积时，电流只从接触点通过，并被迫发生收缩，因此产生收缩电阻；此外由于种种原因，在材料接触表面往往覆盖着一层导电性很差的薄膜，比如金属的氧化物、硫化物、灰尘等，或者是加载接触面间的油膜、水膜等，由此形成的附加电阻称为表面膜电阻。因此，由收缩电阻、膜层电阻引起的总电阻称为接触电阻：

式中：RJ指的是接触电阻，Rb指的是膜电阻，Rs指的是两个接触面上的收缩电阻。

接触电阻的形成是一个非常复杂的过程，涉及到材料、机械结构、腐烛、磨损、镀层、负载等多方面因素的影响，经学者多年研究，总结出了其根本的影响因素作用机理以及影响范围。对于大电流触点，主要影响因素有接触压力、表面粗糙度、镀层、环境等[3、4]。

同时国内外学者总结了接触电阻的计算公式，但由于其模型较为理想，与实际情况存在一定偏差，工程中通常采用伏安法实际测量保险丝接触电阻。图2是接触电阻的测量电路图，图中Rj代表电连接器的接触电阻, Vm代表测量的电接触电压，Vin为电源电压，接触电阻可按下式计算：

图2 接触电阻的测量电路图

2 保险丝结构分析及接触电阻测量

为了维修方便，电子设备通常使用的可更换保险丝，该种保险丝结构如图3所示，保险丝管与保险丝座通过弹簧压紧，两端电路分别与弹簧和金属片相连。当电路中出现异常电流时，保险丝管中的保险丝熔断，使整个电路开路，从而保护功能电路和器件。由于金属本身电阻值很低，保险丝回路电阻由保险丝管电阻和两侧触点接触电阻组成。

图3 保险丝结构示意图

根据接触电阻理论，弹簧压力、保险丝和接触金属片的表面粗糙度、镀层以及保险丝使用环境，皆会影响保险丝接触电阻。本文以LitteFuse保险丝340 313为例，进行接触电阻的具体测量和分析。根据产品资料手册，对于一个20A保险丝座，其标称接触电阻小于5 mΩ，保险丝管本身电阻为3 mΩ。

将试验样品分为3组，第一组试验样件为未做处理的保险丝；第二组试验样件用手指接触后放置于空气中放置一周；第三组试验样件按照GJB150.11A《军用装备实验室环境试验方法盐雾试验》进行盐雾试验96h。将处理后的试验样品用伏安法测量其接触电阻，得到数据如表1所示。

表1 各样品组保险丝接触电阻

处理后的样品外观均有不同程度变化，手指汗渍污染保险丝表面后，发现表面生成了很多“白斑”；盐雾试验后，保险丝表面金属外壳失去光泽，用手抚摸有阻滞感，有明显的锈蚀和外来物堆积。

根据试验结果可知，正常情况下的保险丝接触电阻满足其指标要求，但污渍、异物和恶劣环境对保险丝接触电阻影响较大，经过处理的保险丝接触电阻均发生不同程度的增大。

3 热仿真分析

电流通过保险丝时会产生热效应，假设通过保险丝的电流为10A，保险丝接触电阻为27mΩ，保险丝管自身阻值为3 mΩ，根据公式P=I2×R可计算得到保险丝接触面的发热功率为2.7W，保险丝管的发热功率为0.3W。在6Sigma有限元分析软件中，建立保险丝模型，进行仿真分析，环境温度设为50℃，结果如图4所示。

图4 保险丝管温度分布图

图5 保险丝座温度分布图

改变接触电阻阻值经行多次仿真，得到保险丝焊点温度与电阻的关系曲线如图6所示。焊锡熔点为230℃，由仿真可知：在环境温度50℃，电流10A的情况下，当保险丝回路电阻达到30mΩ时，保险丝管焊点温度达到232℃，焊点焊锡出现融化，保险丝可能出现异常开路。因此要保证保险丝可靠工作则必须严格控制保险丝接触电阻。