設計精巧的保險絲更容易燒斷?

作者 : Jim Sylivant,工程顧問

這有沒有可能其實是一個有計劃性的故障設計,即使在沒有突波電流熔化銀覆層時也會發生故障?如此一來,保險絲製造商就可以賣掉更多保險絲...

在職業生涯的中期,我有機會成為一名電子元件工程師。記得才剛到新的部門不久,就遇到了一個難題:陰極射線管(CRT)顯示器中似乎有一個簡單的保險絲經常發生故障,而且這個問題已經持續有一段時間了。

我的新部門按照規格對樣品進行了徹底的測試。之前的一個測試工程師設計了一個測試夾具,可以用來測試各批次的保險絲是否滿足所有規格。該規格要求在一定的溫度範圍內,以及在衝擊和振動之後,一定比例的保險絲在超過其標稱額定值時必須在幾毫秒之內斷開。那個工程師的測試工作做得非常出色,足以檢驗保險絲是否符合所有規格。

然而,在實際應用中,保險絲的高故障率仍然持續發生。我的第一步是測量應用中的實際電流,以確保選擇了合適的保險絲。我發現,除了短暫的啟動小電流外,標稱值很快就會穩定在保險絲額定值範圍內。我當時認為短暫的啟動突波並不至於導致問題。但即使仔細查看了以前的測試結果和應用程式的測試後,我仍找不到高故障率發生的原因。

就在陷於絕望時,我寄了一些樣品到現場的材料實驗室,請那裡的同事幫忙測量保險絲的橫截面直徑,同時看看所使用的合金。幸運的是,實驗室將這項工作交給了一位非常稱職的材料工程師,他讓保險絲經受短暫的電流脈衝,然後對其進行分析,讓我們離真相更近了一步。幾天後,他給我發來了漂亮的顯微鏡照片,我們看到保險絲採用了一種出人意料的結構。照片顯示,保險絲並非採用常見的低熔點單一合金,而是由三種金屬構成。保險絲最中間的較大圓形內芯是金屬鎢,鎢的外面是一層薄薄的銅,銅層外面則包覆著一層薄薄的銀。

而那個工程師在讓保險絲經受短暫過電流後所拍攝的照片更讓人驚訝。他發現,透過將電容器充電到各種不同的電壓,並將其與保險絲短路來放電,就可以產生可控大小的突波電流。照片中顯示,經過數次突波後,銀覆蓋覆層達到其熔點而熔化成液態。

經過更多次突波後,銀完全熔化了,只剩下鎢芯以及薄薄的銅覆層。由於銀的導電性非常高,幾乎所有波電流最初都完全流過銀層。之後,額外的突波電流主要流過薄銅層,因為銅的導電性高於鎢。而銅覆薄層最終也熔化了。現在,只剩下電阻高的鎢芯了。隨著更多突波的產生,所有的電流都必須流過剩下的鎢芯,而當鎢的溫度逐漸升高到變得越來越細,終至燒熔斷裂。

我們隨後意識到,這種三層結構技術使保險絲能夠「記住」短暫的超載電流突波累積。每次上電時的突波都會引起微小的變化,最終導致保險絲燒斷。穩態測試並未測出這種情況。保險絲之所以具有記憶功能,是因為採用了三層特殊結構和金屬。因此,解決方案是改用只有一種低熔點合金的傳統保險絲——即沒有記憶的保險絲。由此我們也體會到,透過對基礎知識的深入理解,可以解決大多數問題。

網友分享:有計劃的故障設計?

@ lakehermit

十分有趣的故事。我已經入行很多年了,仍在不斷學習中。這個有趣的發現讓我想到了一個問題:保險絲為何要採用三層結構?它肯定比一些純金屬或金屬合金製成的簡單拉線要貴些。但這種設計是不是為了控制熔化時間與電流曲線?

除非保險絲外皮填充一些惰性氣體並密封,否則外皮中的氧氣和濕氣最終會侵蝕銀,使銀部份或全部變以為Ag2O和/或AgO氧化銀,這會增加銀覆層的電阻。我推測這將會在銅覆層中產生相同類型的「記憶」並最終導致故障。

這有沒有可能其實是一個有計劃性的故障設計,即使在沒有突波電流熔化銀覆層時也會發生故障?如此一來,保險絲製造商就可以賣掉更多保險絲了。

編譯:Jenny Liao

(參考原文:Blown fuse has a meltdown,by Jim Sylivant )

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