保險(xiǎn)絲插座連接器溫升設(shè)計(jì)及測(cè)試

(貴州航天電器上海研發(fā)中心，上海，200436)

1 前言

在網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備中，電源連接器可用于給配電盒傳輸電流。當(dāng)電源系統(tǒng)提供的電流大于設(shè)備能承受的額定電流時(shí)，設(shè)備會(huì)受到損壞，此時(shí)需要斷開(kāi)電路，因此要在連接器上增加一個(gè)保險(xiǎn)絲來(lái)管控電流，當(dāng)保險(xiǎn)絲通電時(shí)，由電能轉(zhuǎn)換的熱量使可熔體的溫度上升，當(dāng)溫度達(dá)到和超過(guò)可熔體的熔點(diǎn)時(shí)，就會(huì)使可熔體融化、熔斷而切斷電流，起到了安全保護(hù)電路的作用。為此，我們開(kāi)發(fā)了一款保險(xiǎn)絲插座連接器，當(dāng)電路出現(xiàn)超載電流時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，同時(shí)LED亮紅燈,由此實(shí)現(xiàn)斷路及報(bào)警的功能。

2 產(chǎn)品介紹

插頭及保險(xiǎn)絲插座如圖1所示。

圖1 插頭和保險(xiǎn)絲插座

產(chǎn)品的性能要求如下：

a)額定電流：36A；

b)額定電壓：60V；

c)接觸電阻≤3mΩ；

d)耐電壓：1500V(AC)/分鐘；

e)工作溫度：-40℃～+105℃；

f)鹽霧：48h；

g)濕熱循環(huán)：96h；

h)溫升：不大于30℃，(插頭和插座接觸位置溫升小于30度，保險(xiǎn)管位置溫升小于45度)。

2.1 設(shè)計(jì)原理

為便于保險(xiǎn)絲的更換，保險(xiǎn)絲插座分為兩體式結(jié)構(gòu)：保險(xiǎn)絲插座合件1和保險(xiǎn)絲插座合件2。保險(xiǎn)絲插座合件2組件中裝有保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)絲插座合件2裝入保險(xiǎn)絲插座合件1，形成完整的保險(xiǎn)絲插座,如圖2。

保險(xiǎn)絲插座合件2中除了保險(xiǎn)絲之外還有與之并聯(lián)的電阻與LED燈，電阻與LED燈通過(guò)彈片卡接的形式串聯(lián)在一起，同時(shí)，串聯(lián)后的電阻與LED燈通過(guò)彈片與保險(xiǎn)絲形成并聯(lián)電路的連接,如圖3。

保險(xiǎn)絲插座合件1中有與機(jī)柜內(nèi)部電源連通的正、負(fù)極接觸件，同時(shí)要有與保險(xiǎn)絲插座合件2中的保險(xiǎn)絲配合導(dǎo)通的接觸件，如圖4。

圖2 保險(xiǎn)絲插座主要結(jié)構(gòu)

圖3 電路組裝圖

圖4 接觸件與保險(xiǎn)絲配合圖

2.2 電流過(guò)載保護(hù)功能的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的功能要求在電流過(guò)載的情況下，電路會(huì)有警示作用的LED燈來(lái)指示電路的通斷，這就要求在正常的情況下，電路中的電流是經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲形成的回路，當(dāng)電流過(guò)載，保險(xiǎn)絲熔斷的時(shí)候，電路通過(guò)另外的一條電路來(lái)形成電流回路，并且要有LED燈的點(diǎn)亮來(lái)指示電路中的電流已經(jīng)過(guò)載，基本的電路形式[1]如圖5。

基于產(chǎn)品的電路特點(diǎn)，要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候，電阻與LED燈要串聯(lián)后再與保險(xiǎn)絲形成并聯(lián)電路，結(jié)構(gòu)如圖3，電阻與LED燈通過(guò)彈片1連接形成串聯(lián)電路，保險(xiǎn)絲與電阻、LED通過(guò)彈片2形成并聯(lián)的電路連接。

圖5 功能電路圖

2.3 連接器熱源分析

對(duì)于電源產(chǎn)品，溫升是一項(xiàng)至關(guān)重要的指標(biāo)，根據(jù)IEC的標(biāo)準(zhǔn)，正常的使用情況下，產(chǎn)品的溫升不能超過(guò)30℃[2]；產(chǎn)品的溫升影響因素主要是工作的電流、接觸件的材料、長(zhǎng)度、橫截面,使用環(huán)境等因素。

接觸件材料選擇導(dǎo)電率較好的紫銅材料作為產(chǎn)品的接觸件，同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接端的尺寸要求，厚度選擇0.8mm，最長(zhǎng)接觸件的長(zhǎng)度為54.9mm，最小橫截面積5.68mm2，在滿足溫升不超過(guò)30℃的情況下的溫度上升計(jì)算如下：

△T=J2*L2/2*γe*κ*A2

(1)

式中，△T：溫升；J：電流值；L：接觸件長(zhǎng)度；γe：接觸件導(dǎo)電率； A：接觸件橫截面積；κ：熱導(dǎo)率。

由(1)△T=302*54.92/2*97*226*5.682=1.917℃<30℃。由理論的計(jì)算，接觸件的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)測(cè)試插頭和插座接觸件對(duì)接的接觸電阻為0.5 mΩ，保險(xiǎn)絲的體電阻為1.4 mΩ[3],為產(chǎn)品的主要發(fā)熱源，這為溫度測(cè)試點(diǎn)的選擇提供了依據(jù)。密封環(huán)境下空氣不流通，金屬接觸表面的不規(guī)則性會(huì)對(duì)溫度的測(cè)試結(jié)果有影響[4]。

3 溫升測(cè)試步驟

a.在分析的基礎(chǔ)上向硬件設(shè)計(jì)人員和熱設(shè)計(jì)人員了解各單板關(guān)鍵元器件和發(fā)熱元件的位置及名稱，產(chǎn)品對(duì)熱設(shè)計(jì)的規(guī)格要求，測(cè)試選擇器件的溫度判定參數(shù)的限值要求及器件的熱性能參數(shù)，與設(shè)計(jì)人員充分溝通，了解熱設(shè)計(jì)文檔。

b.確定測(cè)試內(nèi)容，擬定測(cè)試方案，然后繪制有關(guān)測(cè)試表格，選擇測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的選擇不能盲目，必須在分析的基礎(chǔ)上找出關(guān)鍵點(diǎn)和熱點(diǎn)器件作為測(cè)點(diǎn)。

c.配合相關(guān)測(cè)試人員，完全按照標(biāo)準(zhǔn)配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

d.將所有熱電偶的正負(fù)級(jí)導(dǎo)線接到數(shù)據(jù)采集器的通道接線端子上，并在熱電偶的接線端和測(cè)量端附近貼上標(biāo)簽標(biāo)明通道號(hào)。開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集器，觀察各熱電偶的監(jiān)測(cè)溫度是否與室溫吻合，然后用手捏住探頭，觀察溫度是否迅速上升，如果有異常點(diǎn)，則表明熱電偶感溫端斷開(kāi)或?qū)Ь€連接不當(dāng)，應(yīng)及時(shí)處理。

e.布置熱電偶并固定。熱電偶可以從單板拉手縫隙及其他縫隙引出機(jī)箱或機(jī)柜，因此可以在不破壞設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)的前提下同時(shí)進(jìn)行多路溫度測(cè)量[5]。

f．接通設(shè)備電源，要求檢驗(yàn)人員配合加測(cè)試負(fù)載，使設(shè)備在額定功耗下工作，監(jiān)視測(cè)點(diǎn)的溫度變化，如果有元?dú)饧臏囟瘸^(guò)允許的最高溫度，要終止試驗(yàn)。待達(dá)到溫度穩(wěn)定后，記錄并保存測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)熱元器件表面溫度每小時(shí)變化波動(dòng)范圍在±1℃內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定溫度。一般數(shù)據(jù)器件穩(wěn)定時(shí)間在設(shè)備加熱后至少需要1.5小時(shí)，模擬器件加電后至少2小時(shí)，有條件則盡量延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間。若在設(shè)備加電狀態(tài)下更換了散熱條件，需要至少0.5小時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間。如果測(cè)試采用較先進(jìn)的顯示溫度變化曲線的測(cè)試儀，可通過(guò)溫度曲線來(lái)判定溫度是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

g．如果還要進(jìn)行其他方案的測(cè)試，需要等溫度再次穩(wěn)定后，再記錄新的數(shù)據(jù)。

h．溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的后處理，必要時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的圖表處理，便于分析和出測(cè)試報(bào)告。

4 溫升測(cè)試

4.1 測(cè)試說(shuō)明

采用Agilent 34972A數(shù)據(jù)采集器(圖6)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在主要的發(fā)熱源及便于測(cè)試的位置布置測(cè)試點(diǎn)。其中，A、C點(diǎn)為保險(xiǎn)絲與接觸件接觸的部位，B點(diǎn)為保險(xiǎn)絲上方，D點(diǎn)為保險(xiǎn)絲與接觸件下方，E為短接觸件尾部，F(xiàn)為長(zhǎng)接觸件尾部，如圖7所示。

圖6 Agilent 34972A數(shù)據(jù)采集器

圖7 測(cè)試點(diǎn)的選擇

4.2 溫升測(cè)試

溫升測(cè)試結(jié)果如表1(單位℃)所示。

表1 連接器溫升測(cè)試結(jié)果(密封環(huán)境)

5 結(jié)論

溫升測(cè)試的結(jié)果滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，溫升的數(shù)值與理論分析的結(jié)果相符合。但溫升的數(shù)值相對(duì)設(shè)計(jì)值的要求偏上限的，故需要優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是減小導(dǎo)電體的體電阻、接觸電阻，同時(shí)需要優(yōu)化產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且建議裝備連接器的設(shè)備內(nèi)部增加通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，以降低連接器工作時(shí)的溫升。

[1] 于歆杰.電路原理,清華大學(xué)出版社.

[2] EIA-364-70B. 通流的電連接器插頭及插座的溫升測(cè)試.

[3] EIA-364-23B. 接觸電阻測(cè)試.

[4] [加]米蘭科,布朗諾維克.電接觸理論、應(yīng)用與技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.

[5] 賀澤民.淺談連接器溫升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾點(diǎn)體會(huì), 科技風(fēng).