可更換保險(xiǎn)絲接觸電阻研究

陳焱飆

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川成都，610041）

保險(xiǎn)絲通常作為電路發(fā)生故障或異常過(guò)流時(shí)的保護(hù)器件，其自身故障將導(dǎo)致整個(gè)電路系統(tǒng)斷電。所以保險(xiǎn)絲的可靠性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的問(wèn)題。

觸點(diǎn)的接觸電阻是保證電連接器能正?？煽康毓ぷ鞯淖罨镜碾姎鈪?shù)之一，直接影響電接觸系統(tǒng)的可靠性。觸點(diǎn)的接觸電阻大，會(huì)使電接觸系統(tǒng)發(fā)熱量大，產(chǎn)生更高的溫升和更大的功耗，在系統(tǒng)工作時(shí)有可能發(fā)生早期熔焊或粘結(jié)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電接觸失效，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都將接觸電阻的研究作為電接觸可靠性的核心問(wèn)題[1]。

1 接觸電阻定義和影響因素

觸點(diǎn)的接觸形式分為點(diǎn)接觸、線接觸、面接觸。保險(xiǎn)絲觸點(diǎn)宏觀上看是面接觸，但是材料之間的接觸面無(wú)論經(jīng)過(guò)多么細(xì)致的加工處理從微觀上分析其表面總是凹凸不平、不連續(xù)的，材料之間并不是整個(gè)面積接觸，而只是由若干小的突起部分相接觸，見(jiàn)圖1，由此產(chǎn)生的附加阻值稱為接觸電阻[2]。

圖1 接觸電阻示意圖

不同材料通過(guò)接觸面接觸后 接觸電阻包括收縮電阻和表面膜電阻。即當(dāng)電流通過(guò)實(shí)際接觸面積時(shí)，電流只從接觸點(diǎn)通過(guò)，并被迫發(fā)生收縮，因此產(chǎn)生收縮電阻；此外由于種種原因，在材料接觸表面往往覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的薄膜，比如金屬的氧化物、硫化物、灰塵等，或者是加載接觸面間的油膜、水膜等，由此形成的附加電阻稱為表面膜電阻。因此，由收縮電阻、 膜層電阻引起的總電阻稱為接觸電阻：

式中：RJ指的是接觸電阻，Rb指的是膜電阻，Rs指的是兩個(gè)接觸面上的收縮電阻。

接觸電阻的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及到材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、腐燭、磨損、鍍層、負(fù)載等多方面因素的影響，經(jīng)學(xué)者多年研究，總結(jié)出了其根本的影響因素作用機(jī)理以及影響范圍。對(duì)于大電流觸點(diǎn)，主要影響因素有接觸壓力、表面粗糙度、鍍層、環(huán)境等[3、4]。

同時(shí)國(guó)內(nèi)外學(xué)者總結(jié)了接觸電阻的計(jì)算公式，但由于其模型較為理想，與實(shí)際情況存在一定偏差，工程中通常采用伏安法實(shí)際測(cè)量保險(xiǎn)絲接觸電阻。圖2是接觸電阻的測(cè)量電路圖，圖中Rj代表電連接器的接觸電阻, Vm代表測(cè)量的電接觸電壓，Vin為電源電壓，接觸電阻可按下式計(jì)算：

圖2 接觸電阻的測(cè)量電路圖

2 保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)分析及接觸電阻測(cè)量

為了維修方便，電子設(shè)備通常使用的可更換保險(xiǎn)絲，該種保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)如圖3所示，保險(xiǎn)絲管與保險(xiǎn)絲座通過(guò)彈簧壓緊，兩端電路分別與彈簧和金屬片相連。當(dāng)電路中出現(xiàn)異常電流時(shí)，保險(xiǎn)絲管中的保險(xiǎn)絲熔斷，使整個(gè)電路開(kāi)路，從而保護(hù)功能電路和器件。由于金屬本身電阻值很低，保險(xiǎn)絲回路電阻由保險(xiǎn)絲管電阻和兩側(cè)觸點(diǎn)接觸電阻組成。

圖3 保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)接觸電阻理論，彈簧壓力、保險(xiǎn)絲和接觸金屬片的表面粗糙度、鍍層以及保險(xiǎn)絲使用環(huán)境，皆會(huì)影響保險(xiǎn)絲接觸電阻。本文以LitteFuse保險(xiǎn)絲340 313為例，進(jìn)行接觸電阻的具體測(cè)量和分析。根據(jù)產(chǎn)品資料手冊(cè)，對(duì)于一個(gè)20A保險(xiǎn)絲座，其標(biāo)稱接觸電阻小于5 mΩ，保險(xiǎn)絲管本身電阻為3 mΩ。

將試驗(yàn)樣品分為3組，第一組試驗(yàn)樣件為未做處理的保險(xiǎn)絲；第二組試驗(yàn)樣件用手指接觸后放置于空氣中放置一周；第三組試驗(yàn)樣件按照GJB150.11A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)96h。將處理后的試驗(yàn)樣品用伏安法測(cè)量其接觸電阻，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各樣品組保險(xiǎn)絲接觸電阻

處理后的樣品外觀均有不同程度變化，手指汗?jié)n污染保險(xiǎn)絲表面后，發(fā)現(xiàn)表面生成了很多“白斑”；鹽霧試驗(yàn)后，保險(xiǎn)絲表面金屬外殼失去光澤，用手撫摸有阻滯感，有明顯的銹蝕和外來(lái)物堆積。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，正常情況下的保險(xiǎn)絲接觸電阻滿足其指標(biāo)要求，但污漬、異物和惡劣環(huán)境對(duì)保險(xiǎn)絲接觸電阻影響較大，經(jīng)過(guò)處理的保險(xiǎn)絲接觸電阻均發(fā)生不同程度的增大。

3 熱仿真分析

電流通過(guò)保險(xiǎn)絲時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，假設(shè)通過(guò)保險(xiǎn)絲的電流為10A，保險(xiǎn)絲接觸電阻為27mΩ，保險(xiǎn)絲管自身阻值為3 mΩ，根據(jù)公式P=I2×R可計(jì)算得到保險(xiǎn)絲接觸面的發(fā)熱功率為2.7W，保險(xiǎn)絲管的發(fā)熱功率為0.3W。在6Sigma有限元分析軟件中，建立保險(xiǎn)絲模型，進(jìn)行仿真分析，環(huán)境溫度設(shè)為50℃，結(jié)果如圖4所示。

圖4 保險(xiǎn)絲管溫度分布圖

圖5 保險(xiǎn)絲座溫度分布圖

改變接觸電阻阻值經(jīng)行多次仿真，得到保險(xiǎn)絲焊點(diǎn)溫度與電阻的關(guān)系曲線如圖6所示。焊錫熔點(diǎn)為230℃，由仿真可知：在環(huán)境溫度50℃，電流10A的情況下，當(dāng)保險(xiǎn)絲回路電阻達(dá)到30mΩ時(shí)，保險(xiǎn)絲管焊點(diǎn)溫度達(dá)到232℃，焊點(diǎn)焊錫出現(xiàn)融化，保險(xiǎn)絲可能出現(xiàn)異常開(kāi)路。因此要保證保險(xiǎn)絲可靠工作則必須嚴(yán)格控制保險(xiǎn)絲接觸電阻。

圖6 保險(xiǎn)絲電阻與焊點(diǎn)溫度趨勢(shì)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證接觸電阻增大造成的影響，選取經(jīng)過(guò)處理的接觸電阻較大的保險(xiǎn)絲進(jìn)行加電高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為50℃，通電電流10A。試驗(yàn)過(guò)程中保險(xiǎn)絲出現(xiàn)異常斷路，用紅外溫度測(cè)試儀測(cè)量保險(xiǎn)絲座外部溫度114℃，與仿真結(jié)果吻合較好。取出保險(xiǎn)絲觀察，可發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲并未熔斷，兩側(cè)有焊錫溢出。

5 結(jié)束語(yǔ)

普通保險(xiǎn)絲觸點(diǎn)通常是片簧結(jié)構(gòu)且未做鍍金處理，在濕熱、鹽霧等惡劣環(huán)境下接觸電阻表現(xiàn)并不穩(wěn)定。對(duì)于電流10A以上的設(shè)備，需要謹(jǐn)慎選取保險(xiǎn)絲，否則長(zhǎng)期使用過(guò)程中隨著保險(xiǎn)絲觸電接觸電阻增加，保險(xiǎn)絲因?yàn)闊嵝?yīng)容易出現(xiàn)異常斷路，造成設(shè)備失效。