家用電器電動機及變壓器的自復電路保護

　　　　保護家用電器和專業(yè)電器設(shè)備中使用的電動機，防止因為機械負荷超載、過熱、失速或堵轉(zhuǎn)、中線脫落、電壓嚴重過載、潮濕和其他因素而造成損壞，是設(shè)備制造商極為關(guān)心的問題。新一代PPTC(高分子聚合物正溫度系數(shù))自復電路保護器是針對電源電壓為交流120V和240伏的產(chǎn)品而設(shè)計的，它能夠幫助家電設(shè)計師設(shè)計安全的產(chǎn)品，防止出現(xiàn)火災，并且減少產(chǎn)品由于電動機或者變壓器出現(xiàn)故障而退回返修和更換電動機的費用。

　　過流保護電路保護技術(shù)的比較

　　保護電子電路防止由于電流過載和過熱而造成損壞，是很多電路保護技術(shù)的主要功能。在過去，是用熔斷器或者可熔化的連接線來實現(xiàn)這種保護功能。但是，今天在使用電動機的系統(tǒng)中，自復保護器，例如PPTC器件、陶瓷PTC的(CPTC)器件和雙金屬斷路器，是首選的電路保護方案。在出現(xiàn)故障后，這些器件通常不需要更換，在切斷電源以及/或者電流過載的根源排除之后，電路就可以恢復到正常的工作狀態(tài)。

　　CPTC器件的保護功能是可以自動恢復的;不過，由于它們的工作溫度相對較高、電阻大、尺寸大, 它們的應(yīng)用可能會受到限制。許多電器和使用電動機的系統(tǒng)常常會受到?jīng)_擊、振動、在高溫和低溫時會產(chǎn)生熱應(yīng)力，在這種情況下，由于CPTC器件的材料往往是脆性的，容易損壞。

　　傳統(tǒng)的雙金屬斷路器廣泛地用于保護電器中的電動機，但是它們不能保持斷開的狀態(tài)，需要另外采取措施，防止它們反復地接通和斷開。雙金屬片是用兩種不同的金屬粘結(jié)在一起的。當電流超過雙金屬斷路器的額定電流時，過大的電流所產(chǎn)生的熱量會引起雙金屬片彎曲，因而引起一組觸點斷開，將電流切斷。由于沒有電流流到電路中，雙金屬保護器會回到正常狀態(tài)，觸點接通，所以電流　恢復流動。在電動機堵止的情況下，雙金屬斷路器的觸點會一直反復地斷開、閉合，一直到把電源切斷。

　　雙金屬斷路器會的觸點反復斷開、閉合，這有幾個缺點。這些缺點包括材料疲勞，觸點容易損壞，產(chǎn)生火花或者觸點會熔化。如果雙金屬斷路器的觸點不能斷開，過大的電流會損壞電動機以及敏感的電子電路。由于可能存在噪音或者顫振和電磁干擾(EMI)，雙金屬斷路器不能用于先進的電子控制系統(tǒng)。

　　間歇運行電動機的保護技術(shù)

　　間歇運行的電動機，例如攪拌器和食品加工設(shè)備中使用的電動機，通常是工作一段有限的時間。一般地說，如果這些產(chǎn)品工作的時間超過了設(shè)計的最高極限，通常會導致電動機不轉(zhuǎn)動、過熱，最終損壞。由于觸點出現(xiàn)故障或者使用者誤用，會導致故障，而電源卻仍然加在電動機上。

　　為了防止過熱，使用的電路保護器的“動作”必須很快，但是不要比原先打算的快，避免給使用者帶來厭煩。在設(shè)計方面的挑戰(zhàn)是要制定一個保護計劃，它能有效地保護電動機，又不會出現(xiàn)令人感到厭煩的誤動作。

　　在某些使用機械化設(shè)備中，一些電氣元件在啟動時電流很大，電路保護器的滋擾性動作往往與它有關(guān)。PPTC電路保護器的主要優(yōu)點是，為了避免滋擾性的動作，可以指定一個動作電流，它比電動機正常工作時的電流低很多，但是它的動作時間是系統(tǒng)工作周期的幾倍。

　　 圖1 PPTC保護器在電動機電路中的典型應(yīng)用

　　如圖1所示，PPTC保護器可以安裝在電動機的電路中起保護作用，防止因為電流過大或者過熱而損壞電動機。如果把這個器件裝在電動機里面，它會對電動機中流過的電流作出反應(yīng)，也會對溫升作出反應(yīng)，在出現(xiàn)故障時，溫度就會升高。

　　連續(xù)運行電動機的保護技術(shù)

　　連續(xù)運行的電動機，例如在電冰箱和空調(diào)設(shè)備使用的電動機，都針對體積和成本進行了優(yōu)化。因為它們還帶動風扇，有一部分氣流會在電動機上流過，因而電動機可以在發(fā)熱更多的情況下工作，否則是不可以的。因此，風扇電動機不轉(zhuǎn)動時的電流一般只有運行電流的兩倍，相比之下，用在其他產(chǎn)品上時，一般是三到四倍。當風扇不轉(zhuǎn)動時，要求熔斷器會可靠地熔斷，而在電動機接通電源時，它并不會熔斷──這是很討厭的。所以要找一個這樣的熔斷器，并且確定它的容量，就變得很復雜。

　　在討論間歇運作電動機時，我們看到，PTCC器件在保護電動機方面有明顯的優(yōu)點。電動機的弱點隨著溫度而改變，隨之改變PTCC器件的特性，可以反應(yīng)慢一些──如果需要的話。

生產(chǎn)的組裝工藝。

在電動機帶動風扇的情況下，由于有氣流流過，對PPTC器件和電動機兩者都有益。用這個方法，PPTC器件的動作電流將大幅度上升，這是因為有氣流，不會達到動作的溫度。但是，不論是什么原因，如果風扇不轉(zhuǎn)動，于是沒有氣流，失去了氣流的冷卻作用，電動機的溫度會很快上升。這種狀況會引起PPTC器件動作，從低電阻狀態(tài)變成高電阻狀態(tài)，于是限制了流到電動機的電流。

　　PPTC和一次性使用的熔斷器不同，在出現(xiàn)故障，電流略有上升就會引起溫度上升的情況下，它能夠防止動電機損壞──只要一次性地安裝一個元件，就可以實現(xiàn)電流過載保護和過熱保護。

　　PPTC器件在應(yīng)用設(shè)計方面的考慮

　　在把PPTC器件用到電路中去時，在設(shè)計方面要考慮的參數(shù)有：保持電流和動作電流，環(huán)境對器件性能的影響，器件的自復時間，在進入高電阻狀態(tài)后的泄漏電流，以及自動恢復或手動恢復的條件。

　　保持電流及動作電流

　　圖2是PPTC保護器的保持電流和動作電流隨溫度的變化。區(qū)域A是PPTC器件動作，由低阻狀態(tài)變成高阻狀態(tài)，起電路保護作用的電流和溫度。區(qū)域B是電路可以處在正常工作狀態(tài)的PPTC器件電流和溫度。在區(qū)域C，PPTC器件有可能動作、進入高電阻狀態(tài)或者仍然處在低電阻狀態(tài)，這取決于具體器件的電阻及其環(huán)境。

　　 圖2　保持電流和動作電流隨溫度的變化

　　由于PPTC器件會因為發(fā)熱而動作，進入高電阻狀態(tài)，器件周圍溫度的任何變化會影響PPTC器件的性能。隨著PPTC器件周圍的溫度升高，為了使它進入高電阻狀態(tài)所需要的能量下降，因此保持電流(I保持)下降。陶瓷PTC以及高分子聚合物PTC制造廠商提供熱降額曲線和I保持隨溫度的變化，幫助設(shè)計師選擇適當?shù)钠骷?/p>

　　環(huán)境條件對器件性能的影響：

　　PPTC器件的傳熱環(huán)境會顯著地影響它的性能。一般地說，提高器件的傳熱性能，功耗、動作時間和保持電流也會相應(yīng)地增大。如果從器件的傳熱性能下降，情況則相反。此外，改變器件的熱容量，它的動作時間會改變。

　　PPTC器件的動作時間定義為，從出現(xiàn)故障電流開始到器件進入高電阻狀態(tài)所需要的時間。動作時間與故障電流的大小和環(huán)境溫度有關(guān)。

　　當熱量發(fā)散到四周環(huán)境的速度低于產(chǎn)生熱量的速度時，PPTC器件就會動作，進入高電阻狀態(tài)。如果產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)到四周環(huán)境的熱量，器件的溫度就會升高。溫度上升的速度和器件動作進入高電阻狀態(tài)所需要的總能量取決于故障電流和傳熱環(huán)境。

　　在正常工作的情況下，器件所產(chǎn)生的熱量和散發(fā)到四周的熱量是平衡的：

　　I2R = U(T-TA)

　　式中：I = 在器件中流過的電流，R = 器件的電阻，U = 總的熱傳導系數(shù)，T = 器件的溫度，TA = 環(huán)境溫度。

　　不論是電流增大或者環(huán)境溫度上升，還是電流和環(huán)境溫度兩者都上升，都會引起器件的溫度升高到某個數(shù)值，這時它的電阻迅速增大。由于電阻發(fā)生很大的變化，相應(yīng)地引起電路中的電流下降，從而保護電路不會損壞。

　　保持電流是指器件無限期地保持低電阻狀態(tài)、不會從低電阻狀態(tài)進入高電阻狀態(tài)的最大穩(wěn)態(tài)電流。保持電流可以相當準確地由傳熱環(huán)境確定，設(shè)計時所作的選擇會影響保持電流的大小，其中包括把器件放在靠近發(fā)熱源的地方，例如變壓器，這樣會降低保持電流、功耗及動作時間。

　　結(jié)語

　　PPTC器件的電阻小，從低電阻狀態(tài)進入高電阻狀態(tài)的動作過程很快，器件薄，能夠自動恢復，這些特點可以幫助電路設(shè)計人員設(shè)計一個安全、可靠的產(chǎn)品，并且符合監(jiān)管機構(gòu)的要求。泰科電子公司的“PolySwitch”LVR器件可以廣泛用于家電設(shè)計，符合UL 1434標準和CSA標準，可以用于電視機，符合RoHS法規(guī)的要求，并且可以使用無鉛焊料和大批量