家用電器電動(dòng)機(jī)及變壓器的自復(fù)電路保護(hù)

　　　　保護(hù)家用電器和專業(yè)電器設(shè)備中使用的電動(dòng)機(jī)，防止因?yàn)闄C(jī)械負(fù)荷超載、過熱、失速或堵轉(zhuǎn)、中線脫落、電壓嚴(yán)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(fù)電路保護(hù)器是針對(duì)電源電壓為交流120V和240伏的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的，它能夠幫助家電設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)安全的產(chǎn)品，防止出現(xiàn)火災(zāi)，并且減少產(chǎn)品由于電動(dòng)機(jī)或者變壓器出現(xiàn)故障而退回返修和更換電動(dòng)機(jī)的費(fèi)用。

　　過流保護(hù)電路保護(hù)技術(shù)的比較

　　保護(hù)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(hù)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(shí)現(xiàn)這種保護(hù)功能。但是，今天在使用電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中，自復(fù)保護(hù)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(hù)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(fù)到正常的工作狀態(tài)。

　　CPTC器件的保護(hù)功能是可以自動(dòng)恢復(fù)的;不過，由于它們的工作溫度相對(duì)較高、電阻大、尺寸大, 它們的應(yīng)用可能會(huì)受到限制。許多電器和使用電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)常常會(huì)受到?jīng)_擊、振動(dòng)、在高溫和低溫時(shí)會(huì)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(hù)電器中的電動(dòng)機(jī)，但是它們不能保持?jǐn)嚅_的狀態(tài)，需要另外采取措施，防止它們反復(fù)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(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，因而引起一組觸點(diǎn)斷開，將電流切斷。由于沒有電流流到電路中，雙金屬保護(hù)器會(huì)回到正常狀態(tài)，觸點(diǎn)接通，所以電流　恢復(fù)流動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)堵止的情況下，雙金屬斷路器的觸點(diǎn)會(huì)一直反復(fù)地?cái)嚅_、閉合，一直到把電源切斷。

　　雙金屬斷路器會(huì)的觸點(diǎn)反復(fù)斷開、閉合，這有幾個(gè)缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括材料疲勞，觸點(diǎn)容易損壞，產(chǎn)生火花或者觸點(diǎn)會(huì)熔化。如果雙金屬斷路器的觸點(diǎn)不能斷開，過大的電流會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)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(jìn)的電子控制系統(tǒng)。

　　間歇運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的保護(hù)技術(shù)

　　間歇運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，例如攪拌器和食品加工設(shè)備中使用的電動(dòng)機(jī)，通常是工作一段有限的時(shí)間。一般地說，如果這些產(chǎn)品工作的時(shí)間超過了設(shè)計(jì)的最高極限，通常會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)、過熱，最終損壞。由于觸點(diǎn)出現(xiàn)故障或者使用者誤用，會(huì)導(dǎo)致故障，而電源卻仍然加在電動(dòng)機(jī)上。

　　為了防止過熱，使用的電路保護(hù)器的“動(dòng)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(jì)方面的挑戰(zhàn)是要制定一個(gè)保護(hù)計(jì)劃，它能有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)，又不會(huì)出現(xiàn)令人感到厭煩的誤動(dòng)作。

　　在某些使用機(jī)械化設(shè)備中，一些電氣元件在啟動(dòng)時(shí)電流很大，電路保護(hù)器的滋擾性動(dòng)作往往與它有關(guān)。PPTC電路保護(hù)器的主要優(yōu)點(diǎn)是，為了避免滋擾性的動(dòng)作，可以指定一個(gè)動(dòng)作電流，它比電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的電流低很多，但是它的動(dòng)作時(shí)間是系統(tǒng)工作周期的幾倍。

　　 圖1 PPTC保護(hù)器在電動(dòng)機(jī)電路中的典型應(yīng)用

　　如圖1所示，PPTC保護(hù)器可以安裝在電動(dòng)機(jī)的電路中起保護(hù)作用，防止因?yàn)殡娏鬟^大或者過熱而損壞電動(dòng)機(jī)。如果把這個(gè)器件裝在電動(dòng)機(jī)里面，它會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)中流過的電流作出反應(yīng)，也會(huì)對(duì)溫升作出反應(yīng)，在出現(xiàn)故障時(shí)，溫度就會(huì)升高。

　　連續(xù)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的保護(hù)技術(shù)

　　連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，例如在電冰箱和空調(diào)設(shè)備使用的電動(dòng)機(jī)，都針對(duì)體積和成本進(jìn)行了優(yōu)化。因?yàn)樗鼈冞€帶動(dòng)風(fēng)扇，有一部分氣流會(huì)在電動(dòng)機(jī)上流過，因而電動(dòng)機(jī)可以在發(fā)熱更多的情況下工作，否則是不可以的。因此，風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的電流一般只有運(yùn)行電流的兩倍，相比之下，用在其他產(chǎn)品上時(shí)，一般是三到四倍。當(dāng)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，要求熔斷器會(huì)可靠地熔斷，而在電動(dòng)機(jī)接通電源時(shí)，它并不會(huì)熔斷──這是很討厭的。所以要找一個(gè)這樣的熔斷器，并且確定它的容量，就變得很復(fù)雜。

　　在討論間歇運(yùn)作電動(dòng)機(jī)時(shí)，我們看到，PTCC器件在保護(hù)電動(dòng)機(jī)方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)的弱點(diǎn)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇的情況下，由于有氣流流過，對(duì)PPTC器件和電動(dòng)機(jī)兩者都有益。用這個(gè)方法，PPTC器件的動(dòng)作電流將大幅度上升，這是因?yàn)橛袣饬鳎粫?huì)達(dá)到動(dòng)作的溫度。但是，不論是什么原因，如果風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動(dòng)，于是沒有氣流，失去了氣流的冷卻作用，電動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)很快上升。這種狀況會(huì)引起PPTC器件動(dòng)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(dòng)機(jī)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(huì)引起溫度上升的情況下，它能夠防止動(dòng)電機(jī)損壞──只要一次性地安裝一個(gè)元件，就可以實(shí)現(xiàn)電流過載保護(hù)和過熱保護(hù)。

　　PPTC器件在應(yīng)用設(shè)計(jì)方面的考慮

　　在把PPTC器件用到電路中去時(shí)，在設(shè)計(jì)方面要考慮的參數(shù)有：保持電流和動(dòng)作電流，環(huán)境對(duì)器件性能的影響，器件的自復(fù)時(shí)間，在進(jìn)入高電阻狀態(tài)后的泄漏電流，以及自動(dòng)恢復(fù)或手動(dòng)恢復(fù)的條件。

　　保持電流及動(dòng)作電流

　　圖2是PPTC保護(hù)器的保持電流和動(dòng)作電流隨溫度的變化。區(qū)域A是PPTC器件動(dòng)作，由低阻狀態(tài)變成高阻狀態(tài)，起電路保護(hù)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(dòng)作、進(jìn)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(dòng)作電流隨溫度的變化

　　由于PPTC器件會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱而動(dòng)作，進(jìn)入高電阻狀態(tài)，器件周圍溫度的任何變化會(huì)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(jìn)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(jì)師選擇適當(dāng)?shù)钠骷?/p>

　　環(huán)境條件對(duì)器件性能的影響：

　　PPTC器件的傳熱環(huán)境會(huì)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(dòng)作時(shí)間和保持電流也會(huì)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(dòng)作時(shí)間會(huì)改變。

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

　　當(dāng)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(shí)，PPTC器件就會(huì)動(dòng)作，進(jìn)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(huì)升高。溫度上升的速度和器件動(dòng)作進(jìn)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(dǎo)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(huì)引起器件的溫度升高到某個(gè)數(shù)值，這時(shí)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(hù)電路不會(huì)損壞。

　　保持電流是指器件無限期地保持低電阻狀態(tài)、不會(huì)從低電阻狀態(tài)進(jìn)入高電阻狀態(tài)的最大穩(wěn)態(tài)電流。保持電流可以相當(dāng)準(zhǔn)確地由傳熱環(huán)境確定，設(shè)計(jì)時(shí)所作的選擇會(huì)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(huì)降低保持電流、功耗及動(dòng)作時(shí)間。

　　結(jié)語

　　PPTC器件的電阻小，從低電阻狀態(tài)進(jìn)入高電阻狀態(tài)的動(dòng)作過程很快，器件薄，能夠自動(dòng)恢復(fù)，這些特點(diǎn)可以幫助電路設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)一個(gè)安全、可靠的產(chǎn)品，并且符合監(jiān)管機(jī)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(jì)，符合UL 1434標(biāo)準(zhǔn)和CSA標(biāo)準(zhǔn)，可以用于電視機(jī)，符合RoHS法規(guī)的要求，并且可以使用無鉛焊料和大批量