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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-12-16 08:37
本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之PTC以及一些常用的電路。
1、概述:
防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、PTC、保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開(kāi)關(guān)、還有電感、電阻、電容等。
浪涌測(cè)試在EMC測(cè)試中屬于共模傳導(dǎo)性抗擾度的范疇，可以參考之前的文章《EMC 測(cè)試實(shí)質(zhì)之共模傳導(dǎo)性抗擾度》。
本文我們來(lái)詳細(xì)分析PTC的工作原理。
PTC(Positive Temperature Coefficient)為正溫度系數(shù)的熱敏電阻，有時(shí)也被叫做自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。
其原理符合如下所示：
和NTC（Negative Temperature Coefficient）相對(duì)，溫度越高，電阻越高。溫度越低，電阻越低。
其基本工作原理如下：
電路正常工作時(shí)，PTC像普通電阻一樣，保持低電阻狀態(tài)，一旦有異常電流出現(xiàn)，PTC溫度上升，電阻急劇增加，從而起到限流保護(hù)作用。
在了解PTC的詳細(xì)特性之前， 我們先了解一個(gè)概念，那就是居里溫度。
居里溫度（C.P.）即阻值為25°C時(shí)的阻值的兩倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，如下圖所示：
室溫至居里點(diǎn)的范圍內(nèi)，電阻值稍有降低但基本維持一定。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)居里點(diǎn)，電阻值幾乎呈階躍性的增加。
居里點(diǎn)（C.P.）有多種類型，如下圖所示：
環(huán)境溫度超過(guò)居里點(diǎn)后，若仍然持續(xù)上升，PTC將失去正的溫度特性，阻值降低。阻值開(kāi)始下降的點(diǎn)被稱為TN點(diǎn)。
因此，PTC熱敏電阻的額定值被設(shè)計(jì)為不得超過(guò)TN點(diǎn)。
如下圖所示為某系列PTC的R-T特性曲線：
陶瓷PTC的主要材料是鈦酸鋇（BaTiO3），當(dāng)添加少量添加少量稀土元素（ Y、Bi、Sb等）時(shí)，其溫度特性與居里點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，如下圖所示：
在居里溫度前后，晶體結(jié)會(huì)構(gòu)發(fā)生改變。
低于居里溫度時(shí)為四方晶體結(jié)構(gòu)，其中存在電偶極子。
溫度高于居里溫度時(shí)變?yōu)榱⒎骄w，電偶極子消失。
陶瓷晶粒之間的邊界稱為“晶界”。氧離子被限制在晶界處，阻礙電子的流動(dòng)。
以下是陶瓷PTC在掃描電子顯微鏡下的圖片：
在居里溫度以下，電偶極子電抵消氧離子，電子可以自由移動(dòng)。在居里溫度以上，電偶極子消失，氧離子阻礙電子移動(dòng)，電阻值上升。
以下表格描述的是BaTiO3和PTC的電阻溫度特性：
這種特性就造就了PTC的獨(dú)特特征，晶界電阻在較低溫度下保持穩(wěn)定。然而，當(dāng)器件溫度升高時(shí)，晶界的電阻會(huì)上升。
以上是PTC的一些基本特性，下面講一些PTC相關(guān)的電氣特性和電氣參數(shù)。
伏安特性：
TC熱敏電阻的I-V特性如下圖所示：
?施加電壓使得電阻的內(nèi)部發(fā)熱和向外的散熱達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，外加電壓和穩(wěn)定電流之間關(guān)系建立。
恒電阻區(qū)域內(nèi)V = IR關(guān)系成立，PTC熱敏電阻無(wú)自發(fā)熱。如圖所示PTC熱敏電阻還擁有最大電流點(diǎn)和恒功率區(qū)域兩個(gè)參數(shù)。
PTC的伏安特性和R-T曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
PTC器件的溫度達(dá)到居里溫度后，PTC電流會(huì)隨著施加電壓的增加而減小，該區(qū)域稱為跳閘狀態(tài)，超過(guò)電流最大值也通常被稱為“跳閘”。
其伏安特性，也取決于其散熱情況和環(huán)境溫度，如下圖所示：
器件散熱條件好的，對(duì)應(yīng)跳閘電流也大，環(huán)境溫度越低，跳閘電流越大。
除散熱條件和環(huán)境溫度之外，還可以通過(guò)初始電阻值、居里點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行合適的選型，如下圖所示：
若流經(jīng)PTC熱敏電阻的電流小于跳閘電流，如下圖所示，在負(fù)載曲線a與PTC熱敏電阻的伏安特性曲線交點(diǎn)A處穩(wěn)定，作為簡(jiǎn)單的定值電阻工作。
?若流經(jīng)PTC熱敏電阻大于跳閘電流，在負(fù)載曲線b與伏安特性曲線的交點(diǎn)B處穩(wěn)定。
也就是說(shuō)，當(dāng)大于跳閘電流的電流通過(guò)電路時(shí)，PTC熱敏電阻的阻值增大，將電路電流衰減到小于跳閘電流的值，從而保護(hù)電源和負(fù)載。
PTC熱敏電阻的跳閘電流因環(huán)境溫度、阻值、溫度特性、形狀等因素而異。
如下圖所示，跳閘電流上限以上的電流區(qū)域稱為跳閘電流區(qū)域，下限以下的電流范圍稱為保持電流區(qū)域，上下限之間的電流區(qū)域稱為保護(hù)電流變動(dòng)范圍。
如果電路電流小于保持電流，PTC熱敏電阻作為一個(gè)簡(jiǎn)單的固定電阻工作，但當(dāng)電流大于跳閘電流時(shí)，電阻值增加以執(zhí)行保護(hù)操作。
保護(hù)電流變動(dòng)范圍的計(jì)算步驟如下：
根據(jù)能量守恒定律，電能=熱能，
常常根據(jù)這個(gè)值來(lái)計(jì)算其它溫度下的跳閘電流。其計(jì)算步驟如下：
同一元件的D和R相同，將Ia與環(huán)境溫度為25°C時(shí)的跳閘電流相比，
若居里點(diǎn)為120°C，在環(huán)境溫度條件為60°C及−10°C時(shí)，分別計(jì)算得出 :
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電流-時(shí)間特性：
在分析電流時(shí)間特性時(shí)，先解釋幾個(gè)名詞，即突入電流、動(dòng)作時(shí)間和保持電流。
突入電流，在啟動(dòng)電子設(shè)備開(kāi)關(guān)電源后，短時(shí)間內(nèi)流過(guò)的超過(guò)額定電流值的大電流。
動(dòng)作時(shí)間，是指突入電流降至1/2所花費(fèi)的時(shí)間，如下圖所示。
保持電流，是指電流電壓特性中，是指在不提高電阻（動(dòng)作）的情況下能夠流過(guò)的電流值。
PTC的時(shí)間電流特性表示施加的電壓在電流最大點(diǎn)右側(cè)時(shí)，內(nèi)部發(fā)熱與向外散熱達(dá)到平衡狀態(tài)之前的電流與時(shí)間的關(guān)系，如下圖所示：
隨著施加電壓（電流）的增加，瞬時(shí)功耗增加，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間縮短。
當(dāng)可將PTC器件帶入跳閘狀態(tài)的突入電流通過(guò)PTC 器件時(shí)，PTC將立即抑制電流。
如下圖所示電流-時(shí)間特性說(shuō)明 了電流抑制動(dòng)作，此動(dòng)作時(shí)間取決于突入電流值和環(huán)境溫度。
具體而言，當(dāng)施加較大突入電流或環(huán)境溫度設(shè)置較高時(shí)，工作時(shí)間會(huì)較短。
因?yàn)镻TC器件的預(yù)熱速度也隨著電流的等級(jí)而提高，而且，跳閘時(shí)間會(huì)隨著環(huán)境溫度、單個(gè)PTC電阻值和PTC器件尺寸而變化。
下圖顯示，跳閘動(dòng)作時(shí)間和單個(gè)PTC的電阻值相關(guān)，電阻越大，跳閘時(shí)間越短，因?yàn)閃=I2R，電阻越大，發(fā)熱越多，升溫越快：
下圖顯示，單個(gè)PTC跳閘動(dòng)作時(shí)間取決于環(huán)境溫度，例如型號(hào)為PRG21BC3R3MM1RA的PTC：
PTC的特性：
陶瓷PTC具有源自電子特性的陶瓷晶界的電阻變化而引起的耐溫特性。
陶瓷PTC的特性表明，當(dāng)PTC重復(fù)地從跳閘狀態(tài)返回初始狀態(tài)時(shí)電阻不會(huì)發(fā)生變化。
因此，PTC器件在焊接和開(kāi)關(guān)負(fù)載測(cè)試后的電阻變化很小，這個(gè)特性特性確保了電路的可靠性，這也是衡量不同品牌PTC可靠性的重要指標(biāo)。
如下為村田和其它品牌的PTC器件的對(duì)比：
除了以上PTC的電氣特性和特征，我們?cè)谝渤Ｒ?guī)PTC的數(shù)據(jù)手冊(cè)中還有一些參數(shù)需要我們識(shí)別，下面我們將以某一品牌的PTC對(duì)一些重要參數(shù)進(jìn)行介紹：
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最大電壓（Maximum voltage）：工作溫度范圍內(nèi)可以對(duì)PTC熱敏電阻持續(xù)施加的電壓最大值。
測(cè)試方法為，在25℃的靜止空氣中持續(xù)施加三分鐘也能承受的電壓為耐電壓。施加方式采用從0V開(kāi)始，漸進(jìn)上升至耐電壓的上升方法。
最大保持電流（Maximum holding current ）Int ：指在不提高電阻（動(dòng)作）的情況下能夠流過(guò)的最大的電流值。
R25：PTC 在25℃下的正常電阻。
最大過(guò)載電流（Maximum overload current）Iol：PTC從低電阻區(qū)過(guò)渡到高電阻區(qū)所能流過(guò)的最大電流。
從圖中可以看出，低于額定電壓時(shí)，最大過(guò)載電流越大。
熱耗散常數(shù)（DISSIP. FACTOR）：在熱平衡狀態(tài)下，熱敏電阻在自發(fā)熱影響下溫度提高 1°C 所需的功率。
以上是對(duì)PTC基本參數(shù)和功能的概述，下面我們來(lái)分析PTC在使用上的注意事項(xiàng)。
2、PTC 使用時(shí)的注意事項(xiàng)：
PTC 是一種限流保護(hù)器件? 其電阻值可以隨通過(guò)PTC電流的增大而發(fā)生急劇變化，一 般串聯(lián)于線上用做過(guò)流保護(hù)?
當(dāng)外部線纜引入過(guò)電流時(shí), PTC自身阻抗迅速增大, 起到限流保護(hù)的作用?
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(guò)電流通過(guò)時(shí)基本發(fā)揮不了作用, 只能按它的常態(tài)電阻來(lái)估算它的限流作用?
熱敏電阻的作用更多體現(xiàn)在諸如電力線碰觸等出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流保護(hù)的場(chǎng)合, 常用于電源線路的保護(hù)中?
PTC失效時(shí)為開(kāi)路? 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(guò)電壓耐受能力比高分子材料PTC的好? PTC用于單板上防護(hù)電路的最前級(jí)時(shí), 采用陶瓷PTC較好?
在進(jìn)行PTC期間選型時(shí)，我們一般重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)重要參數(shù)：
最大電壓。
正常工作下的電流
異常狀態(tài)下電流是否符合PTC的規(guī)格
如果只是想知道PTC該如何選型，其實(shí)看下面一張圖就完全可以了：
?
保持電流和跳閘電流取決于溫度，電流值隨著溫度升高而降低。
保持電流指在正常工作中可以流動(dòng)的最大電流值。而且，跳閘電流指PTC器件移動(dòng)到高電阻狀態(tài)所需的最小電流值。
保持電流值和跳閘電流值之間的差別用灰色表示。此區(qū)域表明PTC器件可以跳閘或正常工作。
?當(dāng)使用PTC器件設(shè)計(jì)電路時(shí)，首先請(qǐng)檢查PTC器件的保持電流是否與產(chǎn)品的正常工作電流等級(jí)相匹配。
通過(guò)以上分析，我們可以選四個(gè)，如果需要，如果想對(duì)保持電流降額比較大，也可以選第二個(gè)。
在使用時(shí)要注意，PTC周圍常常有熱源，這就導(dǎo)致PTC的器件溫度高于大氣溫度，在這樣的情況下，我們可以將“實(shí)際PTC溫度”視為“環(huán)境溫度”。
另外，如果保持電流不符合正常電流值，則可以并聯(lián)使用2個(gè)PTC器件來(lái)解決。
但是要注意，PTC器件之間要保持一定的距離，否則，并聯(lián)的2個(gè)PTC的等效保持電流將小于單個(gè)PTC保持電流的2倍。
下面的做的一些測(cè)試實(shí)驗(yàn)：
3、舉例
PTC 較多應(yīng)用于電源電路中的過(guò)流保護(hù)，有保險(xiǎn)絲的作用。
PTC的應(yīng)用廣泛，可以應(yīng)用到各行各業(yè)：
正常工作期間PTC電阻值穩(wěn)定。而且，當(dāng)過(guò)電流流向電路系統(tǒng)時(shí)，器件溫度開(kāi)始迅速升高，PTC電阻由于電流通過(guò)而呈指數(shù)增加。
只要向電路系統(tǒng)施加電壓，電阻就保持較高數(shù)值。完全移除電源后，PTC電阻隨著PTC溫度的降低而開(kāi)始下降，然后復(fù)位至初始狀態(tài)。
由于陶瓷PTC中的非滯后特性，初始電阻和復(fù)位電阻之間幾乎不變。
典型應(yīng)用電路：
電路一：典型應(yīng)用，電源限流保護(hù)
當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，PTC電流瞬速增大，電流被限制，保護(hù)了電源。
電路二：三極管保護(hù)電路
當(dāng)三極管超過(guò)一定溫度時(shí)，PTC電阻瞬速增大，三極管截止。
電路三：溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
此溫度檢測(cè)電路使用與正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻串聯(lián)的電阻器構(gòu)成分壓器，從而產(chǎn)生在溫度范圍內(nèi)呈線性的輸出電壓。
此電路將同相配置中的運(yùn)算放大器與反相參考配合使用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行偏置和放大，從而幫助利用整個(gè) ADC 分辨率并提高測(cè)量精度。
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電路四：馬達(dá)啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在單相交流馬達(dá),PTC熱敏電阻基本是串聯(lián)在馬達(dá)的啟動(dòng)線圈上，當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，PTC熱敏電阻初始阻值低故提供足夠的電流給輔助線圈以讓馬達(dá)正常啟動(dòng)。
當(dāng)電流經(jīng)PTC后，PTC自熱且阻值迅速上升，使電流降低，即斷開(kāi)輔助線圈線路。
電路五：突波電流抑制作用
開(kāi)關(guān)電源在啟動(dòng)瞬間通常伴隨著極大的突波電流,使用PTC熱敏電阻可以取代一般的固定電阻或NTC。
除實(shí)現(xiàn)突波電流抑制器功能外，也能確保繼電器失效時(shí)，PTC在異常情況時(shí)仍可藉由升高的阻值特性截?cái)噙^(guò)電流。
電路六：電信過(guò)載保護(hù)應(yīng)用
PTC熱敏電阻廣泛的應(yīng)用在電信設(shè)備中作為過(guò)電流保護(hù)組件，且通常搭配過(guò)電壓保護(hù)組件，形成一個(gè)可恢復(fù)式過(guò)載保護(hù)電路以解決突波、電線搭接或感應(yīng)等對(duì)電路產(chǎn)生的不良影響。
電路七：過(guò)載保護(hù)應(yīng)用
PTC熱敏電阻不但針對(duì)過(guò)電流會(huì)作動(dòng)反應(yīng)，也可針對(duì)過(guò)溫度反應(yīng)。
在電路中，PTC熱敏電阻阻值上升不僅抑制電源消耗也會(huì)降低電流。
傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲在熔斷后無(wú)法自行恢復(fù)，但是PTC熱敏電阻在一定的冷卻時(shí)間后有自我恢復(fù)的功能。
電路八：溫度傳感應(yīng)用
PTC熱敏電阻安裝于比較電路(如圖16)的其中一支腳。PTC的電阻值Rp在正常溫度低于Rs，所以比較器輸出低電平。
異常溫度發(fā)生時(shí)，PTC會(huì)很快發(fā)熱達(dá)到開(kāi)關(guān)溫度，阻值會(huì)高于Rs ，比較器輸出高電平。
PTC熱敏電阻的阻值會(huì)隨環(huán)境溫度的變化呈現(xiàn)高阻態(tài)或低阻態(tài)，此時(shí)可以通過(guò)電阻值的明顯變化來(lái)控制回路，進(jìn)而達(dá)到電器組件不因過(guò)熱而損壞的目的。
還有如下應(yīng)用電路：
電路九：加熱器應(yīng)用
PTC熱敏電阻可持續(xù)提供恒溫，因而廣泛應(yīng)用于加熱，如空調(diào), 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱,門鎖,熱保護(hù)器….等設(shè)備的供給熱源。
電路十：電子鎮(zhèn)流器開(kāi)關(guān)作用
在整流線路啟動(dòng)時(shí)，PTC熱敏電阻處于低電阻狀態(tài)，燈管因電壓不足而不會(huì)被點(diǎn)亮。
當(dāng)電流流經(jīng)陰極，熱敏電阻的阻值迅速上升，電壓也跟著增加，因而點(diǎn)亮燈管。
一旦燈管點(diǎn)亮，陰極需要高頻(20~40 KHz )的電源，此時(shí)通過(guò)兩個(gè)FET開(kāi)關(guān)供給可以避免燈光閃爍。
點(diǎn)燈后，PTC直到燈管關(guān)閉之前都不再有什么功用，直至下一次的點(diǎn)燈才會(huì)再次發(fā)揮緩啟動(dòng)的功能。
PTC在電路中的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，在EMC中的應(yīng)用就介紹到這里，此處只做拋磚引玉的作用，歡迎一起交流學(xué)習(xí)。
來(lái)源：電子工程師之家
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