用自恢復(fù)PPTC器件提高電子設(shè)備的可靠性

保護(hù)電子電路免于電流過(guò)大或溫度過(guò)高而損壞是眾多電路保護(hù)技術(shù)的一個(gè)主要功能。在過(guò)去，電路保護(hù)一般是采用保險(xiǎn)絲或可熔斷的導(dǎo)線，但在當(dāng)前的應(yīng)用中，可恢復(fù)型的器件，例如聚合正溫度系數(shù)(PPTC)器件、陶瓷正溫度系數(shù)器件、雙金屬斷路器和恒溫開(kāi)關(guān)已經(jīng)成為首選的解決方案。這些器件在發(fā)生故障后不需要進(jìn)行更換，并且能夠保證電源斷開(kāi)或消除了過(guò)電流現(xiàn)象后，電路能夠恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。
PPTC器件是一種能夠限制電流的非線性熱敏電阻。在出現(xiàn)故障時(shí)，所有的正溫度系數(shù)器件均處于高阻值狀態(tài)，而且由于正常操作中仍可能導(dǎo)致在部分回路中存在危險(xiǎn)性的電壓，對(duì)于電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，重要的是要理解PPTC器件與保險(xiǎn)絲之間的區(qū)別。保險(xiǎn)絲屬于中斷電流的器件，當(dāng)保險(xiǎn)絲熔斷后，電路就會(huì)中斷，保險(xiǎn)絲必須進(jìn)行更換。而一旦PPTC器件發(fā)揮作用，仍然有很低的電流流經(jīng)器件。PPTC器件要求有一個(gè)較小的起到電阻性加熱作用的漏電流或外部熱源來(lái)維持器件的工作狀態(tài)。一旦故障消除或電源中斷，外部熱源消失后，器件將返回至低阻值狀態(tài)，所以不需要進(jìn)行更換。

是否需要熔斷
盡管可恢復(fù)器件本身具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在某些情況下，保險(xiǎn)絲可能仍是電路保護(hù)的一種較佳的選擇。在恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)可能導(dǎo)致潛在的安全危險(xiǎn)或者在發(fā)生故障狀態(tài)后需要進(jìn)行設(shè)備維修的情況下，則適宜使用保險(xiǎn)絲或斷路器。例如，對(duì)于垃圾處理設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以推薦使用一次性的保險(xiǎn)絲。因?yàn)槿绻姍C(jī)突然恢復(fù)運(yùn)作，刀片可能會(huì)造成嚴(yán)重的傷害事故。另一方面，可恢復(fù)型的PPTC器件對(duì)于保護(hù)電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)合理的解決方案。在這種情況下，能夠迅速恢復(fù)運(yùn)行的能力是十分重要的。
如果對(duì)PPTC器件的可恢復(fù)性功能的性質(zhì)把握不當(dāng)，可能導(dǎo)致器件在電路中得不到適當(dāng)?shù)氖褂谩６绻O(shè)計(jì)人員在將PPTC器件與其它可恢復(fù)型器件，如陶瓷正溫度系數(shù)器件、雙金屬恒溫開(kāi)關(guān)和按鈕式斷路器進(jìn)行比較時(shí)，有可能產(chǎn)生更多的混淆。表1說(shuō)明了這些過(guò)電流保護(hù)器件的恢復(fù)方式。

PPTC器件在電路設(shè)計(jì)方面的考慮
PPTC器件可作為電路中的串聯(lián)元件。由于這些器件的外形較小，有助于節(jié)省寶貴的電路板空間。而且，與傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲要求用戶干預(yù)相反，這種可恢復(fù)的功能允許將器件布置在不能接觸到的位置上。由于這些器件屬于固態(tài)器件，所以還能夠承受機(jī)械沖擊和振動(dòng)，從而為多種應(yīng)用提供可靠的保護(hù)。
在電路設(shè)計(jì)中采用PPTC器件時(shí)需要考慮一些關(guān)鍵參數(shù)，這其中包括器件的保持電流和動(dòng)作電流、環(huán)境條件對(duì)器件的影響、器件的恢復(fù)時(shí)間和動(dòng)作狀態(tài)下的漏電流等。
圖2表明了PPTC器件的保持電流和動(dòng)作電流與溫度的函數(shù)關(guān)系。A區(qū)表示PPTC器件將要?jiǎng)幼鞑⒈Ｗo(hù)電路時(shí)的電流和溫度的各種組合。B區(qū)表示器件能夠保證電路正常運(yùn)行的電流和溫度的各種組合。在C區(qū)內(nèi)，器件既有可能動(dòng)作，也有可能保持在低阻值的狀態(tài)，這要取決于每個(gè)器件自身的阻值和所處的環(huán)境。
由于PPTC器件可以通過(guò)加熱的方式激活，所以在器件四周發(fā)生的任何溫度改變均可能影響到器件的性能。如果器件附近的溫度上升，則器件動(dòng)作所需要的能量較少，所以保持電流(I保持)下降。陶瓷和聚合體的正溫度系數(shù)(PTC)器件的制造商提供了有關(guān)的電流-溫度折減曲線與保持電流-溫度的數(shù)據(jù)表，以幫助設(shè)計(jì)人員選擇正確的器件。
器件的熱傳導(dǎo)環(huán)境對(duì)于器件的性能有著顯著的影響。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)增加器件的熱傳導(dǎo)，器件的功率耗散、動(dòng)作時(shí)間和保持電流均會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的增加。而在器件的熱傳導(dǎo)減弱時(shí)，會(huì)發(fā)生與此相反的情況。此外，改變器件周圍的熱容也會(huì)改變器件的動(dòng)作時(shí)間。
PPTC器件的動(dòng)作時(shí)間定義為從故障電流開(kāi)始出現(xiàn)至器件動(dòng)作進(jìn)入高阻值狀態(tài)所需要的時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間取決于如圖2所示的故障電流的大小，以及環(huán)境溫度。
在熱量散失到環(huán)境中的速度小于熱量產(chǎn)生的速度時(shí)，即發(fā)生動(dòng)作。如果產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，則器件的溫度增加。溫度上升的速度以及致使器件動(dòng)作所需的總能量取決于故障電流和傳熱環(huán)境。
電流的增加或環(huán)境溫度的上升將改變器件溫度，導(dǎo)致阻值迅速提高。這種阻值上的大幅改變?cè)斐呻娐分须娏鞯南鄳?yīng)下降，從而保護(hù)電路免遭損壞。

結(jié)語(yǔ)
PPTC器件的低阻值、動(dòng)作時(shí)間短和外形小巧的特點(diǎn)有助于提高在較小的器件安裝面積下電子電路的穩(wěn)定性。對(duì)器件可恢復(fù)功能的準(zhǔn)確把握，有助于電路設(shè)計(jì)人員確定和應(yīng)用PPTC器件，從而達(dá)到最好的運(yùn)行性能，并降低保修、維護(hù)和修理方面的成本。■