用于家用電器和專業(yè)電器中電動(dòng)機(jī)、變壓器及控制部件的協(xié)同電路保護(hù)器件

摘要： 自復(fù)式電路保護(hù)器件可以用來進(jìn)行過熱、過電流及過電壓保護(hù)，用于先進(jìn)設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇、控制器、 觸按元件、顯示器和接口電路的保護(hù)。

關(guān)鍵詞： 家用電器保護(hù)；協(xié)同電路保護(hù)技術(shù)；PPTC；MOV

　　在家用電器和專業(yè)電器中使用的電動(dòng)機(jī)、變壓器和控制器經(jīng)常會(huì)受到機(jī)械過載、過熱、轉(zhuǎn)子卡住、中線斷開、電壓嚴(yán)重地過高、潮濕等破壞性因素的影響。新的高分子聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件是針對(duì)電源電壓為交流120伏和交流240伏的設(shè)備而設(shè)計(jì)的，能夠幫助電器設(shè)計(jì)人員防止出現(xiàn)安全方面的問題、防止發(fā)生火災(zāi)，并且減少由于電動(dòng)機(jī)損壞造成的產(chǎn)品保修期回收和更換的費(fèi)用。

　　控制電路板變得日益精密和復(fù)雜，保護(hù)這種電路板，防止因?yàn)榻渝e(cuò)電源、電壓突然升高或者短路而造成損壞，是設(shè)備制造商特別關(guān)心的問題。雖然電器設(shè)備中的變壓器、變壓器的外殼和連接線路能夠承受較高的瞬變電壓，但是，由于電路板上有容易因高電壓而損壞的固體器件，需要改善對(duì)電流過大、溫度過高及電壓過高等問題的控制。

　　過流和過壓協(xié)同保護(hù)還能夠幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到安全機(jī)構(gòu)的要求，盡量減少元件數(shù)量，并且提高設(shè)備的可靠性。在協(xié)同電路保護(hù)技術(shù)中使用的金屬氧化物壓敏變阻器（MOV）過壓保護(hù)器件，與額定電壓為電網(wǎng)電壓的PPTC過流保護(hù)器件的配合，可以幫助制造商達(dá)到國際電工委員會(huì)IEC 6100-4-5標(biāo)準(zhǔn)的要求。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是連接到交流電網(wǎng)上的設(shè)備的全球性電壓和電流測試標(biāo)準(zhǔn)。

各種過流電路保護(hù)技術(shù)的比較

　　當(dāng)變壓器或者供電電路出現(xiàn)故障時(shí)，有些元件會(huì)過熱。有幾種電路保護(hù)方案可以防止故障以及由此引起的過熱而造成損壞，其中包括熱熔斷器、電流熔斷器和斷路保護(hù)器。常用的辦法是在變壓器的初級(jí)電路中使用熱熔斷器，而在變壓器的次級(jí)電路中使用過電流熔斷器。

　　但是，在許多電器中，最好是使用自復(fù)式保護(hù)器件，例如PPTC器件、陶瓷正溫度系數(shù)（CPTC）器件和雙金屬斷路器，這些是首選的保護(hù)元件。在發(fā)生故障后，這些元件一般不需要更換，在切斷電源和/或過流狀況消除后，電路會(huì)回到正常的工作狀態(tài)。

　　就變壓器的保護(hù)而言，熔斷器也許是最簡單、成本最低的辦法，但是，大多數(shù)設(shè)備制造商發(fā)現(xiàn)，自復(fù)式保護(hù)能夠防止短路、電路過載或者使用者誤用引起電流過大而造成的損壞，能夠減少設(shè)備退回保修，所以使用自復(fù)式保護(hù)是有道理的。

　　泰科電子公司最近在各種變壓器上對(duì)旗下的Raychem電路保護(hù)部的PolySwitch LVR器件進(jìn)行了對(duì)比測試。這種器件在各種變壓器中作為初級(jí)電路的保護(hù)元件。在試驗(yàn)中比較了PolySwitch LVR PPTC器件和熱熔斷器的性能和特性。

　　有的供電電源設(shè)計(jì)使用了一次性使用的熱熔斷器作為初級(jí)電路的保護(hù)元件。圖1示出過熱對(duì)這種變壓器的影響。在這個(gè)試驗(yàn)中，變壓器的次級(jí)短路，導(dǎo)致繞組的溫度超過200℃。熱熔斷器的額定溫度是115℃，安裝在靠近鐵芯中間的地方，它未能斷開，結(jié)果繞組的絕緣層熔化，最后變壓器損壞。

圖1  在一個(gè)交流240伏的變壓器中使用熱熔斷器作為初級(jí)電路的保護(hù)元件。
圖中示出次級(jí)短路造成的影響

　　圖2是一項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果，其中用一個(gè)類似的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，使用PPTC器件作為初級(jí)電路的保護(hù)元件。加在變壓器初級(jí)繞組上的輸入電壓是交流253 V，對(duì)次級(jí)繞組短路進(jìn)行模擬。測量了初級(jí)繞組的表面溫度（T初級(jí)）、次級(jí)繞組的表面溫度（T次級(jí)）以及PPTC器件的表面溫度（T-PPTC）。當(dāng)PPTC器件的外部溫度達(dá)到大約95℃時(shí)，初級(jí)繞組的溫度大約是95℃，這時(shí)PPTC器件的電阻開始從低電阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮?。一旦PPTC器件的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮瑁阆拗沽穗娏?，繞組開始冷卻。

圖2 在交流240 V變壓器的初級(jí)電路使用PPTC器件作為保護(hù)元件時(shí)，
次級(jí)繞組短路產(chǎn)生的影響

　　在一個(gè)交流120 V變壓器上進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，將次級(jí)繞組短路，比較了PPTC器件和熱熔斷器的性能，試驗(yàn)結(jié)果列在表1中 .這些數(shù)據(jù)表明，PPTC器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)變到高阻狀態(tài)比較快，因而能夠限止繞組的最高溫度，從而保護(hù)變壓器繞組，并且保護(hù)接在變壓器次級(jí)的電路。

表1　在交流120V變壓器的初級(jí)電路中使用熱熔斷器和PPTC器件作為保護(hù)器件，
將次級(jí)繞組短路，比較這兩種元件的性能

　　CPTC器件是自復(fù)式保護(hù)元件；不過，由于這種器件的工作溫度相對(duì)較高，電阻大以及尺寸大，它們的應(yīng)用可能會(huì)受到限制。CPTC器件的材料往往是脆性的，容易因?yàn)闆_擊、振動(dòng)和熱應(yīng)力（許多電器在使用中因發(fā)熱或者冷卻會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力）而損壞。

　　傳統(tǒng)的雙金屬斷路器雖然廣泛地用于保護(hù)電器設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)，但是它們不能保持在自鎖狀態(tài)，需要另外采取措施防止它交替地接通和斷開。雙金屬片是用兩種不同的金屬粘結(jié)在一起。當(dāng)電流超過雙金屬斷路器的額定電流時(shí)，過大的電流所產(chǎn)生的熱量會(huì)引起雙金屬片彎曲，帶動(dòng)一組觸點(diǎn)斷開，于是電流不能流過。一旦電流停止流過，溫度下降，雙金屬片便回到正常狀態(tài)，于是觸點(diǎn)閉合，電流又會(huì)在電路中流過。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雙金屬片斷路器就會(huì)交替地接通和斷開，一直到把電源切斷。

　　雙金屬斷路器的觸點(diǎn)會(huì)交替地?cái)嚅_和接通，這有幾個(gè)缺點(diǎn)，其中包括材料疲勞、觸點(diǎn)容易損壞、出現(xiàn)火花或者觸點(diǎn)熔化在一起。如果雙金屬斷路器觸點(diǎn)"不能斷開" ，就會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而損壞電動(dòng)機(jī)以及接在后面的容易損壞的電子電路。雙金屬斷路器還可能會(huì)因?yàn)樵胍艋蛘?ldquo;顫振”和電磁干擾（EMI）不能用于先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)。

交流電源的協(xié)同保護(hù)

　　從小型的廚房用具到專業(yè)高溫爐，都變得越來越復(fù)雜，功能越來越多，推動(dòng)著這個(gè)產(chǎn)業(yè)走向電路集成，減少電路板的面積。保護(hù)敏感的電子元件，防止瞬變電壓、短路和使用者誤用而造成損壞，是制造廠商十分關(guān)心的問題。

　　例如，過去在設(shè)計(jì)控制電路板時(shí)，變壓器的初級(jí)電路和次級(jí)電路往往沒有使用過流保護(hù)，在發(fā)生故障的情況下，依靠變壓器把熱量散發(fā)出去，防止控制電路板受到損壞。然而，現(xiàn)在電路板上越來越多地使用容易損壞的固體器件，需要對(duì)電壓加以限制。

　　雷擊或電力站的負(fù)荷在切換時(shí)的瞬變過程會(huì)產(chǎn)生很高的電壓或者很大的瞬變功率，加在電氣設(shè)備的交流電壓輸入端，可能會(huì)造成損壞。

　　在接到交流電網(wǎng)的輸入電路中使用過流和過壓協(xié)同保護(hù)，可以幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到安全機(jī)構(gòu)的要求，并且減少元件數(shù)量，降低成本。

　　圖3說明了MOV如何與PPTC器件結(jié)合起來使用，在苛刻的交流環(huán)境下提高設(shè)備的可靠性，從而達(dá)到國際電工委員會(huì)IEC-61000標(biāo)準(zhǔn)的測試要求。

　　MOV器件可以流過很大的電流，吸收能量的能力很強(qiáng)，響應(yīng)速度快，成本低，由于這些，適合于保護(hù)供電電路、控制電路板、變壓器和電動(dòng)機(jī)。PPTC過流保護(hù)器件的額定交流電壓也是240伏，允許的最高間歇電壓為交流265伏，可以與MOV器件一起，安裝在交流電壓輸入電路中。

　　自復(fù)式PPTC器件和一次性使用的電流熔斷器不同，自復(fù)式PPTC器件可以幫助保護(hù)由于略微增加的故障電流而引起溫度上升的場合。當(dāng)PPTC元件安裝在變壓器的初級(jí)電路中，靠近可能產(chǎn)生熱量的元件，例如磁性元件、場效應(yīng)晶體管（FET），或者大功率電阻器，那么只需要用一個(gè)PPTC器件，就可以實(shí)現(xiàn)過流和過熱保護(hù)。

　　在一些情況下，電網(wǎng)超負(fù)荷可能會(huì)引起MOV器件處在鉗位狀態(tài)，這時(shí)電流會(huì)繼續(xù)在它里面流過，最終可能會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而導(dǎo)致器件不能工作。把PPTC器件裝在靠近MOV器件附近，可以保護(hù)MOV器件長時(shí)間工作于過載狀態(tài)—這是由于把熱量傳送給PPTC器件，PPTC器件較快轉(zhuǎn)變到高阻狀態(tài)，從而限制了MOV器件中流過的電流， 保護(hù)了MOV器件，從而能夠通過IEC 61000-4-5測試。

　　這樣使用PPTC器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以充份利用它的溫度響應(yīng)，并且用它取代電路中的其他熱保護(hù)器件。在這種情況下，PPTC器件起這兩個(gè)作用，而且還是一種完全可以自復(fù)的辦法。在把故障排除并把電源切斷之后，器件會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)，一般不需要維修或者更換元件。這有利于降低保修和服務(wù)成本，并提高客戶的滿意程度。

　　在選擇PPTC器件和MOV器件時(shí)，要根據(jù)國際電工委員會(huì)的IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)備的要求和設(shè)備本身的工作條件來進(jìn)行。在選擇PPTC器件時(shí)，要考慮的主要問題是，在正常環(huán)境下運(yùn)作時(shí)，器件的保持電流額定值要和電子設(shè)備變壓器的初級(jí)電流配合。

結(jié)語

　　利用過流、過熱和過壓協(xié)同保護(hù)，可以幫助設(shè)計(jì)師盡量減少元件數(shù)量，減少電動(dòng)機(jī)和控制電路板的變壓器損壞而造成的返修。PPTC器件的電阻小，轉(zhuǎn)換到高阻狀態(tài)的速度很快，也很薄，它的功能可以自動(dòng)恢復(fù)，因而可以幫助電路設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出安全可靠的產(chǎn)品，并且達(dá)到監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求。 Raychem的PolySwitch器件可以廣泛用于設(shè)計(jì)電器設(shè)備，它符合UL 1434標(biāo)準(zhǔn)，得到CSA和TUV認(rèn)可，符合RoHS條例的要求，并且可以使用無鉛焊料，可以使用進(jìn)行大批量生產(chǎn)的組裝工藝。

參考文獻(xiàn)：

　　1. Faraz Hasan，‘用于家用電器的綜合電路保護(hù)’，電子產(chǎn)品世界，2008.2

　　2. Faraz Hasan，‘額定線電壓PPTC器件幫助保護(hù)電器電機(jī)和變壓器’，精選實(shí)用電子設(shè)計(jì)100例，電子產(chǎn)品世界，2007