防護(hù)電路中的元器件

PTC是一種限流保護(hù)器件，它有一個(gè)動(dòng)作溫度值TS，當(dāng)其本體內(nèi)溫度低于TS時(shí)，其阻值維持基本恒定，這時(shí)的阻值稱為冷電阻。當(dāng)正溫度系數(shù)電阻本體那溫度高于TS時(shí)，其阻值迅速增大，可以達(dá)到的最大阻值能過比冷電阻值打104倍左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般串聯(lián)于線上用作暫態(tài)大電流的過流保護(hù)。PTC在信號(hào)線及電源線路上都有應(yīng)用。

PTC反應(yīng)速度較慢，一般在毫秒級(jí)以上，因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時(shí)基本發(fā)揮不了作用，只能按它的常態(tài)電阻(冷電阻)來估算它的限流作用。熱敏電阻的作用更多的體現(xiàn)在諸如電力線碰觸等出現(xiàn)長時(shí)間過流保護(hù)的場合，常用于用戶線路的保護(hù)中。

目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種，其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC響應(yīng)速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能實(shí)現(xiàn)低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。

6、 保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)

保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)都屬于保護(hù)器件，用于設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)短路、過流等故障情況下，能夠斷開線路上的短路負(fù)載或過流負(fù)載，防止電氣火災(zāi)及保證設(shè)備的安全特性。

保險(xiǎn)管一般用于單板上的保護(hù)，熔斷器、空氣開關(guān)一般可用于整機(jī)的保護(hù)。下面簡單介紹保險(xiǎn)管的使用。

對(duì)于電源電路上由空氣放電管、壓敏電阻、TVS管組成的防護(hù)電路，必須配有保險(xiǎn)管進(jìn)行保護(hù)，以避免設(shè)備內(nèi)的防護(hù)電路損壞后設(shè)備發(fā)生安全問題。圖4-5給出了保險(xiǎn)應(yīng)用的兩個(gè)例子，其中a電路中防護(hù)電路與主回路共用一個(gè)保險(xiǎn)，當(dāng)防護(hù)電路短路失效時(shí)主回路供電會(huì)同時(shí)斷開，b電路中主回路和防護(hù)電路有各自的保險(xiǎn)，當(dāng)防護(hù)電路失效時(shí)防護(hù)電路的保險(xiǎn)斷開，主回路仍然能正常工作，但是此時(shí)端口再出現(xiàn)過電壓時(shí)，端口可能會(huì)因?yàn)槭シ雷o(hù)而導(dǎo)致內(nèi)部電路的損壞。兩種電路各有利弊，在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)需要選用。無饋電的信號(hào)線路、天饋線路的保護(hù)采用保險(xiǎn)管的必要性不大。

圖5 保險(xiǎn)應(yīng)用的兩個(gè)例子

保險(xiǎn)管的特性主要有：額定電流、額定電壓等。其中額定電壓有直流和交流之分。

標(biāo)注在熔絲上的電壓額定值表示該熔絲在電壓等于或小于其額定電壓的電路中完全可以安全可靠地中斷其額定的短路電流。電壓額定值系列包括在N.E.C規(guī)定中，而且也是保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)要求，作為防止火災(zāi)危險(xiǎn)的保護(hù)措施。對(duì)于大多數(shù)小尺寸熔絲及微型熔絲，熔絲制造商們采用的標(biāo)準(zhǔn)額定電壓為32、63、125、250、600V。

概括而言，熔絲可以在小于其額定電壓的任何電壓下使用而不損害其熔斷特性。防護(hù)電路中的保險(xiǎn)管，宜選用防爆型慢熔斷保險(xiǎn)管。

7 、電感、電阻、導(dǎo)線

電感、電阻、導(dǎo)線本身并不是保護(hù)器件，但在多個(gè)不同保護(hù)器件組合構(gòu)成的防護(hù)電路中，可以起到配合的作用。

防護(hù)器件中，氣體放電管的特點(diǎn)是通流量大、但響應(yīng)時(shí)間慢、沖擊擊穿電壓高;TVS管的通流量小，響應(yīng)時(shí)間最快，電壓鉗位特性最好;壓敏電阻的特性介于這兩者之間，當(dāng)一個(gè)防護(hù)電路要求整體通流量大，能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)保護(hù)的時(shí)候，防護(hù)電路往往需要這幾種防護(hù)器件配合起來實(shí)現(xiàn)比較理想的保護(hù)特性。但是這些防護(hù)器件不能簡單的并聯(lián)起來使用，例如：將通流量大的壓敏電阻和通流量小的TVS管直接并聯(lián)，在過電流的作用下，TVS管會(huì)先發(fā)生損壞，無法發(fā)揮壓敏電阻通流量大的優(yōu)勢(shì)。因此在幾種防護(hù)器件配合使用的場合，往往需要電感、電阻、導(dǎo)線等在不同的防護(hù)元件之間進(jìn)行配合。下面對(duì)這幾種元件分別進(jìn)行介紹：

電感：在串聯(lián)式直流電源防護(hù)電路中，饋電線上不能有較大的壓降，因此極間電路的配合可以采用空心電感，如下圖：

圖6 用電感實(shí)現(xiàn)兩級(jí)防護(hù)器件的配合

電感應(yīng)起到的作用：防護(hù)電路達(dá)到設(shè)計(jì)通流量時(shí)，TVS上的過電流不應(yīng)達(dá)到TVS管的最大通流量，因此電感需要提供足夠的對(duì)雷擊過電流的限流能力。

在電源電路中，電感的設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

1、電感線圈應(yīng)在流過設(shè)備的滿配工作電流時(shí)能夠正常工作而不會(huì)過熱;

2、盡量使用空心電感，帶磁芯的電感在過電流作用下會(huì)發(fā)生磁飽和，電路中的電感量只能以無磁芯時(shí)的電感量來計(jì)算;

3、線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可以減小線圈的寄生電容，同時(shí)可以增強(qiáng)線圈對(duì)暫態(tài)過電壓的耐受能力;

4、繞制電感線圈導(dǎo)線上的絕緣層應(yīng)具有足夠的厚度，以保證在暫態(tài)過電壓作用下線圈的匝間不致發(fā)生擊穿短路。

在電源口的防護(hù)電路設(shè)計(jì)中，電感通常取值為7～15uH。

電阻：在信號(hào)線路中，線路上串接的元件對(duì)高頻信號(hào)的抑制要盡量少，因此極間配合可以采用電阻，如下圖：

圖7 用電阻實(shí)現(xiàn)兩級(jí)防護(hù)器件的配合

電阻應(yīng)起到的作用與前述電感的作用基本相同。以上圖為例，電阻的取值計(jì)算方法為：測(cè)得空氣放電管的沖擊擊穿電壓值U1，查TVS器件手冊(cè)得到TVS管8/20us沖擊電流下的最大通流量I1、以及TVS管最高鉗位電壓U2，則電阻的最小取值為：R≥(U1-U2)/I1。

在信號(hào)線路中，電阻的使用應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

1、電阻的功率應(yīng)足夠大，避免過電流作用下電阻發(fā)生損壞;

2、盡量使用線性電阻，使電阻對(duì)正常信號(hào)傳輸?shù)挠绊懕M量小。

導(dǎo)線：某些交/直流設(shè)備的滿配工作電流很大，超過30A，這種情況下防護(hù)電路的極間配合采用電感會(huì)出現(xiàn)體積過大的問題，為解決這個(gè)問題，可以將防護(hù)電路分為兩個(gè)部分，前級(jí)防護(hù)和后級(jí)防護(hù)不設(shè)計(jì)在同一塊電路板上，同時(shí)兩級(jí)電路之間可以利用規(guī)定長度的饋電線來做配合。

圖8 用導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)兩級(jí)防器件的配合

這種組合形成的防護(hù)電路中，規(guī)定長度饋電線所起的作用，與電感的作用是相同的，因?yàn)?米長導(dǎo)線的電感量在1～1.6uH之間，饋電線達(dá)到一定長度，就可以起到良好的配合作用，饋電線的線徑可以根據(jù)滿配工作電流的大小靈活選取，克服了采用電感做極間配合時(shí)電感上不能流過很大工作電流的缺點(diǎn)。

8 、 變壓器、光耦、繼電器

變壓器、光耦和繼電器本身并不屬于保護(hù)器件，但端口電路的設(shè)計(jì)中可以利用這些器件具有的隔離特性來提高端口電路抗過電壓的能力。

端口雷擊共模保護(hù)設(shè)計(jì)有兩種方法：

1、線路對(duì)地安裝限壓保護(hù)器，當(dāng)線路引入雷擊過電壓時(shí)，限壓保護(hù)器成為短路狀態(tài)將過電流泄放到大地;

2、線路上設(shè)計(jì)隔離元件，隔離元件兩邊的電路不共地，當(dāng)線路引入雷擊過電壓時(shí)，這個(gè)瞬間過電壓施加在隔離元件的兩邊。只要在過電壓作用在隔離元件期間，隔離元件本身不被絕緣擊穿，并且隔離元件前高壓信號(hào)線不對(duì)其他低壓部分擊穿，線路上的雷擊過電壓就不能夠轉(zhuǎn)化為過電流進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，設(shè)備的內(nèi)部電路也就得到了保護(hù)。這時(shí)線路上只需要設(shè)計(jì)差模保護(hù)，防護(hù)電路可以大大簡化。例如以太網(wǎng)口的保護(hù)就可以采用這種思路。能夠?qū)崿F(xiàn)這種隔離作用的元件主要有：變壓器、光耦和繼電器等。

這里的變壓器主要是指用于信號(hào)端口的各種信號(hào)傳輸變壓器。變壓器一般有初/次級(jí)間絕緣耐壓的指標(biāo)，變壓器的沖擊耐壓值(適用于雷擊)可根據(jù)直流耐壓值或交流耐壓值換算出來。大致的估算公式為：沖擊耐壓值=2×直流耐壓值=3×交流耐壓值。

圖9 用變壓器實(shí)現(xiàn)隔離

上圖示出一種將變壓器結(jié)合在內(nèi)的信號(hào)端口防護(hù)電路設(shè)計(jì)。雷擊時(shí)，設(shè)備外部的線纜上可感應(yīng)的對(duì)地共模過電壓作用在變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間，如圖9。只要初/次級(jí)不發(fā)生絕緣擊穿，設(shè)備外電纜上的過電壓就不會(huì)轉(zhuǎn)化為過電流進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。這時(shí)端口只需要做差模保護(hù)，利用變壓器等器件的隔離特性，有利于簡化端口的防雷電路。

采用這種方法設(shè)計(jì)需要注意的是：變壓器、光耦和繼電器等元件本身的絕緣耐壓能力應(yīng)很高(例如沖擊耐壓大于4kV)，否則在過電壓的作用下很容易發(fā)生絕緣擊穿，不能起到提高端口耐壓的作用。另外，利用變壓器的隔離特性時(shí)，需要注意變壓器的初/次級(jí)間有分布電容，某些情況下外部線纜上的共模過電壓可通過分布電容從初級(jí)耦合到次級(jí)，從而進(jìn)入到內(nèi)部電路中，這樣就破壞了變壓器的隔離效果，因此應(yīng)盡量選用帶有初次極間屏蔽層的變壓器，并將變壓器屏蔽層外引線在單板內(nèi)接地，如圖9所示。這時(shí)變壓器的有效絕緣耐壓變成了初級(jí)與屏蔽接地端間的絕緣耐壓值。采用共模隔離設(shè)計(jì)的另一個(gè)需要注意的問題是初級(jí)電路與單板上其它電路、地的印制線在單板上應(yīng)分離開，并有足夠的絕緣距離。一般，印制板上邊緣相距1mm的兩根印制走線，能耐受1.2/50us沖擊電壓4kV左右。

在防護(hù)電路的器件選型過程中對(duì)氣體放電管、壓敏電阻、熱敏電阻、保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)等都要選擇有安全認(rèn)證的器件。