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这根保险丝为何设计精巧却更易烧化?难道设计师故意为之?

2021-09-10 13:38:29 Jim Sylivant, 工程顾问 阅读:
从漂亮显微照片中可以看到保险丝采用了一种出人意料的结构:保险丝并非采用常见的低熔点单一合金,而是由三种金属构成。保险丝最中间的大大的圆形内芯是金属钨,钨的外面是一层薄薄的铜,铜层外面是一层薄薄的银......

在我职业生涯的中期,我成为了一名电子元件工程师。我刚到新部门不久,就遇到了一个难题:CRT显示器中一个简单的保险丝似乎具有很高的故障率,而且这个问题已经持续有一段时间了。新部门按照规格对样品进行了彻底的测试。之前的一个测试工程师设计了一个测试夹具,可以用来测试各批次的保险丝是否满足所有规格。该规范要求在一定的温度范围内,以及在冲击和振动之后,一定比例的保险丝在超过其标称额定值时必须在几毫秒之内断开。那个工程师的测试工作完成得非常出色,可以检验保险丝是否符合所有规格。Pttednc

然而,在应用中,高故障率仍然持续。我的第一步是测量应用中的实际电流,确保我们选择了合适的保险丝。我发现,除了短暂的启动小电流外,标称值很快就会稳定在保险丝额定值范围内。我不认为短暂的启动浪涌会导致问题。即使仔细查看了以前的测试结果和应用程序的测试,我仍找不到高故障率的原因。Pttednc

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绝望中,我寄了一些样品到现场的材料实验室,请那里的同事帮忙测量保险丝的横截面直径,同时看看使用的合金。幸运的是,实验室将这项工作交给了一位非常称职的材料工程师,他让保险丝经受短暂的电流脉冲,然后对其进行分析,我们离真相更近了一步。几天后,他给我发来了漂亮的显微照片,我们看到保险丝采用了一种出人意料的结构。照片显示,保险丝并非采用常见的低熔点单一合金,而是由三种金属构成。保险丝最中间的大大的圆形内芯是金属钨,钨的外面是一层薄薄的铜,铜层外面是一层薄薄的银。Pttednc

而那个工程师在让保险丝经受短暂过电流后所拍摄的照片让人更是惊讶。他发现,通过将电容器充电到各种电压,并通过将其与保险丝短路来放电,他就可以产生可控大小的浪涌电流。照片显示,经过数次浪涌后,银覆盖覆层达到其熔点而熔化成液态。Pttednc

经过更多次浪涌,银完全熔化了,只剩下钨芯及薄薄的铜覆层。由于银的导电性非常高,几乎所有浪涌电流最初都完全流过银层。之后,额外的浪涌电流主要流过薄铜层,因为铜的导电性高于钨。薄薄的铜覆层最终也熔化了。现在,只剩下电阻高的钨芯了。随着更多浪涌的产生,现在所有的电流都必须流过剩下来的钨芯,钨的温度逐渐升高,变得越来越细,并最终烧化。Pttednc

我们随后意识到,这种三层结构技术使保险丝能够“记住”短暂的过载电流浪涌的积累。每次上电时的浪涌都会引起微小的变化,最终导致保险丝烧断。稳态测试并未测出这种情况。保险丝之所以具有记忆功能,是因为采用了三层特殊结构和三种金属。解决方案是改用只有一种低熔点合金的传统保险丝——即没有记忆的保险比。由此我们认识到,通过对基础知识的深入理解,可以解决大多数问题。Pttednc

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@ lakehermit Pttednc

十分有趣的故事。我已经入行很多年了,仍在不断学习中。这个有趣的发现让我想到了一个问题:保险丝为何要采用三层结构?它肯定比一些纯金属或金属合金制成的简单拉制线要贵。这种设计是不是为了控制熔化时间与电流曲线呢?Pttednc

除非保险丝外皮填充一些惰性气体并密封,否则外皮中的氧气和湿气最终会侵蚀银,使银部分或全部变以为Ag2O 和/或AgO氧化银,这会增加银覆层的电阻。我怀疑这会在铜覆层中产生相同类型的“记忆”并最终导致故障。有没有可能这是一个有计划的故障设计,即使在没有浪涌电流熔化银覆层时也会发生故障?这样的话,保险丝公司就会卖出更多的保险丝。Pttednc

(原文刊登于Aspencore旗下EDN英文网站,参考链接:Blown fuse has a meltdown,由Jenny Liao编译。)Pttednc

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  • 钨不是熔点极高吗?
  • 可能是为了达到环保要求,
  • 要根据浪涌电流、发生次数等重新选型。要用慢熔的。
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