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过流保护用PTC热敏电阻应用原理及相关使用注意事项

过流保护用PTC热敏电阻应用原理及相关使用注意事项

产品概述

过流保护用PTC热敏电阻是一种对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复的保护元件,俗称"自复保险丝""万次保险丝"。它取代传统的保险丝,可广 泛用于马达、变压器、开关电源、电子线路等的过流过热保护,过流保护用PTC热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。传统的保险丝 在线路熔断后无法自行恢复,而过流保护用PTC热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态,当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能。

选用过流保护用PTC热敏电阻作为过流过热保护元件,首先确认线路*大正常工作电流(就是过流保护用PTC热敏电阻的不动作电流)和过流保护用 PTC热敏电阻安装位置(正常工作时)较高环境温度、其次是保护电流(就是过流保护用PTC热敏电阻的动作电流)、*大工作电压、额定零功率电阻,同时也 应考虑元件的外形尺寸等因素。 如下图所示:使用环境温度,不动作电流及动作电流三者之间的关系。



应用原理

当电路处于正常状态时,通过过流保护用PTC热敏电阻的电流小于额定电流,过流保护用PTC热敏电阻处于常态,阻值很小,不会影响被保护电路的正常 工作。当电路出现故障,电流大大超过额定电流时,过流保护用PTC热敏电阻陡然发热,呈高阻态,使电路处于相对"断开"状态,从而保护电路不受破坏。当故 障排除后,过流保护用PTC热敏电阻亦自动回复至低阻态,电路恢复正常工作。

图2为电路正常工作时的伏-安特性曲线和负载曲线示意图,由A点到B点,施加在PTC热敏电阻上的电压逐步升高,流过PTC热敏电阻的电流也线性增 加,表明PTC热敏电阻的电阻值基本不变,即保持在低电阻态;由B点到E点,电压逐步升高,PTC热敏电阻由于发热而电阻迅速增大,流过PTC热敏电阻的 电流的也迅速降低,表明PTC热敏电阻进入保护状态。正常的负载曲线低于B点,PTC热敏电阻就不会进入保护状态。

通常而言有三种过流过热保护的类型:

1、电流过载(图3):RL1为正常工作时的负载曲线,当负载阻值减少,如变压器线路短路,负载曲线由RL1变为RL2,超过B点, PTC热敏电阻器进入保护状态;

2、电压过载(图4):电源电压增加,如220V电源线突然升到380V,负载曲线由RL1变为RL2,超过B点, PTC热敏电阻器进入保护状态;

      

3、温度过热(图5):当环境温度升高超过一定限度,PTC热敏电阻器伏-安特性曲线由A-B-E变成A-B1-F,负载曲线RL超过B1点,PTC热敏电阻器进入保护状态;

 


 

过流保护电路图

 


型号参数


过流保护PTC热敏电阻器选用指南

1.*大工作电压

PTC热敏电阻器串联在电路中,正常工作时仅有一小部分电压保持在PTC热敏电阻器上,当PTC热敏电阻器启动呈高阻态时,必须承受几乎全部的电源电压,因此选择PTC热敏电阻器时,要有足够高的*大工作电压,同时还要考虑到电源电压可能产生的波动。

2.不动作电流和动作电流

为得到可靠的开关功能,动作电流至少要超过不动作电流的两倍。

由于环境温度对不动作电流和动作电流的影响极大(见下图),因此要把坏的情况考虑进去,对不动作电流来说,选应用在允许的较高环境温度时的值,对动作电流来说,选应用在较低环境温度下的值。

3.在*大工作电压时允许的*大电流

需要PTC热敏电阻器执行保护功能时,要检查电路中是否有产生超过允许的*大电流的条件,一般是指用户存在产生短路可能性的情况。规格书已经给出了*大电流值,超过这个值使用时,可导致PTC热敏电阻器破坏或早期失效。

4.开关温度(居里温度)

我们可提供居里温度80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃的的过流保护元件,一方面,不动作电流取决于居里温度和PTC热敏电阻器芯片的直径,从降低成本方面考虑,应选用高居里温度和小尺寸元件;另一方面须考 虑,这样选择的PTC热敏电阻器会有较高的表面温度,是否会在线路中导致不希望的副作用。一般情况下,居里温度要超过较高使用环境温度20 ~ 40 ℃。

5.使用环境的影响

在接触化学试剂或在使用灌注料或填料时,须特别小心钛酸钡陶瓷被还原导致PTC热敏电阻器效应下降,以及由于灌注造成的导热条件变化,都可能导致PTC热敏电阻器局部过热而损坏。

附:电源变压器过流保护PTC热敏电阻的选用举例

已知一电源变压器初级电压220V,次级电压16V,次级电流1.5A,次级异常时的初级电流约300mA,10分钟之 内应进入保护状态,变压器工作环境温度-10 ~ 40 ℃,正常工作时温升15 ~ 20 ℃,PTC热敏电阻器靠近变压器安装,请选定一PTC热敏电阻器用于初级保护。
1.确定*大工作电压
已知变压器工作电压220V,考虑电源波动的因素,*大工作电压应达到220V×(1+20%)=264V
PTC热敏电阻器的*大工作电压选265V。
2.确定不动作电流
经计算和实际测量,变压器正常工作时初级电流125mA,考虑到PTC热敏电阻器的安装位置的环境温较高可达60 ℃,可确定不动作电流在60 ℃时应为130~ 140mA。
3.确定动作电流
考虑到PTC热敏电阻器的安装位置的环境温度*低可达到-10 ℃或25℃,可确定动作电流在-10 ℃或25℃时应为340~ 350mA,动作时间约5分钟。
4.确定额定零功率电阻R25
PTC热敏电阻器串联在初级中,产生的电压降应尽量小,PTC热敏电阻器自身的发热功率也应尽量小,一般PTC热敏电阻器的压降应小于总电源的1%,R25经计算:
220V × 1% ÷0.125A=17.6 Ω
5.确定*大电流
经实际测量,变压器次级短路时,初级电流可达到500mA,如果考虑到初级线圈发生部分短路时有更大的电流通过,PTC热敏电阻器的*大电流确定在1A以上。
6. 确定居里温度和外形尺寸
考 虑到PTC热敏电阻器的安装位置的环境温较高可达60 ℃,选择居里温度时在此基础上增加40 ℃,居里温度为100 ℃,但考虑到低成本,以及PTC热敏电阻器未安装在变压器线包内,其较高的表面温度不会对变压器产生不良作用,故居里温度可选择120 ℃,这样PTC热敏电阻器的直径可减小一档,成本可以下降。
7.确定PTC热敏电阻器型号
根据以上要求,查阅我们公司的规格表,
即: *大工作电压265V,额定零功率电阻值15Ω± 20%,不动作电流150 mA,动作电流300 mA,*大电流1.2A,居里温度120 ℃,*大尺寸为ø11.0mm。

 

 


 

PTC的失效模式

衡量PTC热敏电阻器可靠性有两个主要指标:

A.耐电压能力----超过规定的电压可导致PTC热敏电阻器短路击穿,施加高电压可淘汰耐压低的产品,确保PTC热敏电阻器在*大工作电压(Vmax)以下是安全的;
B、耐电流能力----超过规定的电流或开关次数可导致PTC热敏电阻器呈现不可恢复的高阻态而失效,循环通断试验不能全部淘汰早期失效的产品。

在规定的使用条件下,PTC失效后呈现高电阻态。长期(一般大于1000小时)施加在PTC热敏电阻器上的电压导致其常温电阻升高的幅度极小,居里 温度超过200℃的PTC发热元件相对要明显。除PTC发热元件外,PTC失效的主要原因是由于开关操作中陶瓷体中心产生应力开裂。在PTC热敏电阻器动 作动过程中,PTC瓷片内温度、电阻率、电场、和功率密度的分布不均匀导致中心应力大而分层裂开。

 


 

 

使用注意事项

1、焊接
在焊接时要注意,PTC热敏电阻器不能由于过分的加热而受到损害。必须遵守下列的较高的温度,长的时间和*小的距离:
       浸焊       烙铁焊
溶池温度                 max. 260 ℃    max. 360℃
钎焊时间                 max. 10s      max. 5 s
距PTC热敏电阻器*小的距离         min. 6mm      min. 6mm
在较恶劣的钎焊条件下将会引起电阻值的变化。

2、涂层和灌注
在 PTC热敏电阻器上加涂层和灌注时,不允许在固化和以后的处理中由于不同的热膨胀而出现机械应力。请谨慎使用灌注材料或填料。在固化时不允许超过PTC热 敏电阻器的上限温度。此外,要注意到,灌注材料必须是化学中性的。在PTC热敏电阻器中钛酸盐陶瓷的还原可能会导致电阻降低和电性能的丧失;由于灌注而引 起热散热条件的变化可能会引起在PTC热敏电阻器上局部的过热而导致其被毁坏。

3、清洗
氟利昂,三氯乙烷或四氯乙烯等温和的清洗剂均适用于清洗,同样可以使用超声波清洗的方法,但是一些清洗剂可能会损害热敏电阻的性能,清洗前优秀进行试验或到我公司咨询。

4、贮藏条件与期限
如 果存贮得当,PTC热敏电阻器的存贮期没有什么期限限制。为了保持PTC热敏电阻器的可焊性,应在没有侵蚀性的气氛中进行贮藏,同时要注意空气湿度,温度 以及容器材料。元件应尽可能的在原包装中进行贮藏。对未焊接的PTC热敏电阻器的金属覆层的触碰可能会导致可焊性能降低。暴露在过潮或过高温度下,一些规 格产品性能可能会改变,比如锡铅的可焊性等,但是在正常的电器元件保存条件下可以长期保存。

5、注意事项
为避免PTC热敏电阻器发生失效/短路/烧毁等事故,使用(测试)PTC热敏电阻器时应特别注意如下事项:
不要在油中或水中或易燃易爆气体中使用(测试)PTC热敏电阻器;
不要在超出"*大工作电流"或"*大工作电压"条件下使用(测试)PTC热敏电阻器。