C元件溫度特性分析與在電器超溫過載保護(hù)上的應(yīng)用闡述講課稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。C元件溫度特性分析與在電器超溫過載保護(hù)上的應(yīng)用闡述-附件：“全國(guó)電器附件行業(yè)技術(shù)交流大會(huì)”論文PPTC元件溫度特性分析與在電器超溫過載保護(hù)上的應(yīng)用闡述ThethermalcharacteristicofPPTCcomponentsandtheapplicationtoprotecttheelectricalapparatusagainstovertemperature-好利來（中國(guó)）電子科技股份有限公司研發(fā)部李渠陵李鵬吳惠平摘要PPTC熱敏電阻元件往往被用作可以復(fù)位的電流保護(hù)元件，在各種電器的輸出過載或

2、短路保護(hù)上有較好的表現(xiàn)。而本文，還原了PPTC的熱敏屬性，就其電阻、動(dòng)作溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：PPTC在不同的電流下，會(huì)在不同的溫度點(diǎn)出現(xiàn)明顯的跳躍式的電流突降。也就是說通過匹配適當(dāng)?shù)膮?shù)的PPTC元件，可以為電器提供適合的保護(hù)溫度。由此，本文為PPTC的應(yīng)用提供了一個(gè)新的領(lǐng)域，并為電器設(shè)計(jì)者較詳細(xì)地闡述了其在超溫保護(hù)上的應(yīng)用方法。PPTCsensitivecomponentsarebeingusedasovercurrentprotectivedevices,andareeffectivetoprotectapparatusagainstput-outoverloada

3、ndshort-circuit.Inthisarticle,were-discussthethermalsensitivecharacteristic,anddiscusstherelationsbetweentheresistanceandtrippingactionwithambienttemperature.ThetestsshowthatdifferentcurrentflowoverthePPTCcomponentswilldecreasesharplytotripatdifferenttemperature.Bytheway,asuitablePPTCcomponentwillpr

4、otecttheapparatusagainstovertemperatureatasuitabletemperature.ThearticleshowanewapplicationofPPTCcomponents,andthenewwaytoprotectapparatusagainstovertemperature.PPTC及其一般應(yīng)用PPTC材料是由高分子聚合物中混入碳黑粒子或其他導(dǎo)電微粒后制成具有半導(dǎo)電特性熱敏材料，其電阻值會(huì)隨溫度的提高而在一定溫度后出現(xiàn)階躍式增大。如圖.1.所示，自復(fù)保險(xiǎn)絲主要由高分于復(fù)合物及導(dǎo)體微粒組成,在正常工作時(shí)，聚合物緊密地將導(dǎo)體包在結(jié)晶狀的結(jié)構(gòu)內(nèi)，導(dǎo)電微粒

5、的量足夠多時(shí)，會(huì)堆積而形成一個(gè)個(gè)鏈段，鏈段相連構(gòu)成一個(gè)低阻抗的導(dǎo)電通道。（如圖.1.左側(cè)所示）。圖.1.PPTC工作原理當(dāng)溫度升高到結(jié)晶熔化時(shí)（如圖.1.右側(cè)所示），熱便會(huì)改變聚合物的結(jié)晶狀態(tài)及出現(xiàn)膨脹，使被包在聚合物上的導(dǎo)體鏈分離，導(dǎo)致阻抗迅速提高；而當(dāng)溫度降低后，高分子重新結(jié)晶，導(dǎo)體鏈鍵又重新建立恢復(fù)成低阻抗。由PPTC材料制成的元件被稱為：自復(fù)保險(xiǎn)絲。自復(fù)保險(xiǎn)絲主要是串接于輸出回路里對(duì)過電流進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)太大電流流過時(shí)，自復(fù)保險(xiǎn)絲以I2R功率發(fā)熱膨脹，使碳粒子分離，電阻增大。發(fā)熱越快，膨脹越迅速，使其阻值遞增加劇。當(dāng)元件內(nèi)部溫度升到125，電阻增大更劇烈。電阻的增大使得線路中的電流急劇下降

6、，只有一個(gè)小量電流仍流過元件。它足以維持元件的溫度，并使元件保持高電阻狀態(tài)達(dá)到阻斷電流保護(hù)電器的目的。當(dāng)電源開關(guān)關(guān)閉及故障消除后，自復(fù)保險(xiǎn)絲就會(huì)冷卻。它冷卻后，會(huì)恢復(fù)至初始狀態(tài)，并重新使導(dǎo)電粒子相互連接，其電阻又降至可流過額定的不動(dòng)作電流水平。這種循環(huán)可重復(fù)很多次。如圖.2.所示，在點(diǎn)1時(shí)溫度較低，產(chǎn)生的熱和散熱達(dá)到熱平衡；點(diǎn)2為當(dāng)流過的電流或環(huán)境溫度較高時(shí)，自復(fù)保險(xiǎn)絲的熱平衡狀態(tài)；點(diǎn)3為電流或環(huán)境溫度繼續(xù)增加時(shí)的熱平衡臨界點(diǎn)，此期間很小的溫度變化就會(huì)造成阻值的大幅度提高，在點(diǎn)4時(shí)自復(fù)保險(xiǎn)絲正處于動(dòng)作保護(hù)狀態(tài)，阻抗的速增限制了大電流的通過，而使保護(hù)設(shè)備免受損壞。圖.2.綜上所述，PPTC元件在

7、對(duì)過電流響應(yīng)時(shí)，實(shí)際是因熱能的作用引起自身溫度升高所致。那么，PPTC元件的熱學(xué)特性又對(duì)電器的過熱保護(hù)又什么樣的效果呢？PPTC溫度特性的實(shí)驗(yàn)探索從上面看，PPTC本身就是熱敏材料，所以由它制作出的元件的特性就一定與溫度相關(guān)聯(lián)。因此，我們用PPTC元件做了溫度特性試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：試驗(yàn)1：R-T特性測(cè)試將PPTC樣品置于恒溫箱里，用導(dǎo)線引出，用電阻儀測(cè)量電阻值（采用四電極）。烘箱升溫速度控制在2/min,記錄各溫度點(diǎn)上的電阻值。圖.4.即是幾個(gè)樣品測(cè)試統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。PPTC在常溫下是處于低電阻狀態(tài)，在一定溫度后，電阻開始出現(xiàn)非線性的突變，圖.4.示的該P(yáng)PTC在85-110就開始出現(xiàn)增大的變化

8、，而在120-130就出現(xiàn)了越來越大的正溫度系數(shù)的變化。在135左右，又出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)后變化趨緩。試驗(yàn)2：恒定電流與溫度關(guān)系測(cè)試將PPTC樣品置于恒溫箱里，用導(dǎo)線引出，并按如下電路連接。圖.3.實(shí)驗(yàn)中我們采用的直流恒壓電源。電源的輸出電流由模擬負(fù)載-線性電阻RL設(shè)定。而負(fù)載電阻按下式計(jì)算：RL=U/IH-RP25其中：U:是恒壓源輸出電壓；IH:是預(yù)設(shè)的工作電流或保持電流；RP25:是PPTC在25是的初始電阻值。階段式升高溫度，每次升溫2，每次恒溫10min，記錄個(gè)溫度點(diǎn)流過PPTC及負(fù)載的穩(wěn)定電流。圖.5.是一由幾個(gè)型號(hào)PPTC自復(fù)保險(xiǎn)絲在模擬10mA工作電流下得到的恒定電流隨溫度變化曲線。

9、表.1.列出了不同規(guī)格PPTC在10mA和24mA，30V模擬工作電流下測(cè)試情況。圖.4.PPTC電阻與溫度的關(guān)系圖.5.PPTC保持電流與溫度關(guān)系表.1.不同型號(hào)在不同保持電流的動(dòng)作溫度電源：30V，10mA,型號(hào)PTMK002PTMK008PTMK009PTMK010PTMK015PTMK020額定保持電流0.02A0.08A0.09A0.10A0.15A0.2A樣品電阻108.621.5112.09.665.953.53動(dòng)作溫度77-7892-9396-9798-9999-100101-102電源：30V，24mA,樣品電阻117.121.9112.758.936.194.07動(dòng)作溫度3

10、0-3572-7481-8283-8588-9092-94試驗(yàn)3：響應(yīng)時(shí)間（動(dòng)作時(shí)間）與溫度關(guān)系測(cè)試將PPTC樣品置于恒溫箱里，用導(dǎo)線引出，并按圖.3.電路連接。實(shí)驗(yàn)中我們采用的直流恒壓電源。電源的輸出電流由模擬負(fù)載-線性電阻RL設(shè)定。調(diào)節(jié)恒溫箱溫度，每5一個(gè)點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)恒溫10min）給回路通電，記錄PPTC的響應(yīng)時(shí)間和溫度的關(guān)系。圖.6.即一支樣品在相同的電流，不同的溫度情況下，PPTC的響應(yīng)時(shí)間和溫度的關(guān)系曲線圖。圖.6.PPTC動(dòng)作時(shí)間與溫度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)現(xiàn)象值得注意:在一定的電流下，隨著溫度升高，PPTC均會(huì)在一定溫度時(shí)觸發(fā)而使電流降低很多；而不同的規(guī)格PPTC又會(huì)有不同的響應(yīng)溫度

11、。PPTC的額定保持電流越大，其對(duì)溫度的響應(yīng)溫度點(diǎn)就越高。同一規(guī)格的PPTC在不同的電流下對(duì)溫度的響應(yīng)不同，在越大的電流下，對(duì)溫度的響應(yīng)溫度點(diǎn)就越低。同樣的觸發(fā)電流，環(huán)境溫度越高，PPTC的動(dòng)作時(shí)間就越短。實(shí)驗(yàn)分析從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，PPTC的阻抗、所能保持的電流均與溫度密切相關(guān)，同一動(dòng)作電流下，PPTC元件響應(yīng)也會(huì)因溫度升高而變得更快。簡(jiǎn)而言之，PPTC元件就其自身的熱敏特性，可以使其在某一特定溫度下觸發(fā)而使線路電流急速降低達(dá)到保護(hù)電器不會(huì)因過熱而燒毀的目的。這也說明PPTC元件除了能對(duì)過電流響應(yīng)以外，同時(shí)還可以對(duì)過熱產(chǎn)生響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)還表明:PPTC元件的觸發(fā)溫度不是元件單一確定的，是與元件所通過的電流相關(guān)聯(lián)。要想獲得相應(yīng)的保護(hù)溫度，必須選用不同的型號(hào)規(guī)格。由圖.5.和表一可見，元件的額定保持電流越大，在相同電流下的觸發(fā)響應(yīng)溫度就越高。同時(shí)，也要注意，圖.4.可以看到，在125-135時(shí)，PPTC元件電阻已經(jīng)變得很大，即，即使流經(jīng)的電流很小，此時(shí)的PPTC元件也是處于關(guān)斷的高電阻狀態(tài)。