用于家用電器和專業(yè)電器中電動機、變壓器及控制部件的協(xié)同電路保護器件

摘要： 自復式電路保護器件可以用來進行過熱、過電流及過電壓保護，用于先進設備中的電動機和風扇、控制器、 觸按元件、顯示器和接口電路的保護。

關鍵詞： 家用電器保護；協(xié)同電路保護技術；PPTC；MOV

　　在家用電器和專業(yè)電器中使用的電動機、變壓器和控制器經(jīng)常會受到機械過載、過熱、轉(zhuǎn)子卡住、中線斷開、電壓嚴重地過高、潮濕等破壞性因素的影響。新的高分子聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件是針對電源電壓為交流120伏和交流240伏的設備而設計的，能夠幫助電器設計人員防止出現(xiàn)安全方面的問題、防止發(fā)生火災，并且減少由于電動機損壞造成的產(chǎn)品保修期回收和更換的費用。

　　控制電路板變得日益精密和復雜，保護這種電路板，防止因為接錯電源、電壓突然升高或者短路而造成損壞，是設備制造商特別關心的問題。雖然電器設備中的變壓器、變壓器的外殼和連接線路能夠承受較高的瞬變電壓，但是，由于電路板上有容易因高電壓而損壞的固體器件，需要改善對電流過大、溫度過高及電壓過高等問題的控制。

　　過流和過壓協(xié)同保護還能夠幫助設計人員達到安全機構的要求，盡量減少元件數(shù)量，并且提高設備的可靠性。在協(xié)同電路保護技術中使用的金屬氧化物壓敏變阻器（MOV）過壓保護器件，與額定電壓為電網(wǎng)電壓的PPTC過流保護器件的配合，可以幫助制造商達到國際電工委員會IEC 6100-4-5標準的要求。這項標準是連接到交流電網(wǎng)上的設備的全球性電壓和電流測試標準。

各種過流電路保護技術的比較

　　當變壓器或者供電電路出現(xiàn)故障時，有些元件會過熱。有幾種電路保護方案可以防止故障以及由此引起的過熱而造成損壞，其中包括熱熔斷器、電流熔斷器和斷路保護器。常用的辦法是在變壓器的初級電路中使用熱熔斷器，而在變壓器的次級電路中使用過電流熔斷器。

　　但是，在許多電器中，最好是使用自復式保護器件，例如PPTC器件、陶瓷正溫度系數(shù)（CPTC）器件和雙金屬斷路器，這些是首選的保護元件。在發(fā)生故障后，這些元件一般不需要更換，在切斷電源和/或過流狀況消除后，電路會回到正常的工作狀態(tài)。

　　就變壓器的保護而言，熔斷器也許是最簡單、成本最低的辦法，但是，大多數(shù)設備制造商發(fā)現(xiàn)，自復式保護能夠防止短路、電路過載或者使用者誤用引起電流過大而造成的損壞，能夠減少設備退回保修，所以使用自復式保護是有道理的。

　　泰科電子公司最近在各種變壓器上對旗下的Raychem電路保護部的PolySwitch LVR器件進行了對比測試。這種器件在各種變壓器中作為初級電路的保護元件。在試驗中比較了PolySwitch LVR PPTC器件和熱熔斷器的性能和特性。

　　有的供電電源設計使用了一次性使用的熱熔斷器作為初級電路的保護元件。圖1示出過熱對這種變壓器的影響。在這個試驗中，變壓器的次級短路，導致繞組的溫度超過200℃。熱熔斷器的額定溫度是115℃，安裝在靠近鐵芯中間的地方，它未能斷開，結果繞組的絕緣層熔化，最后變壓器損壞。

圖1  在一個交流240伏的變壓器中使用熱熔斷器作為初級電路的保護元件。
圖中示出次級短路造成的影響

　　圖2是一項試驗的結果，其中用一個類似的變壓器進行試驗，使用PPTC器件作為初級電路的保護元件。加在變壓器初級繞組上的輸入電壓是交流253 V，對次級繞組短路進行模擬。測量了初級繞組的表面溫度（T初級）、次級繞組的表面溫度（T次級）以及PPTC器件的表面溫度（T-PPTC）。當PPTC器件的外部溫度達到大約95℃時，初級繞組的溫度大約是95℃，這時PPTC器件的電阻開始從低電阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮?。一旦PPTC器件的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮?，便限止了電流，繞組開始冷卻。

圖2 在交流240 V變壓器的初級電路使用PPTC器件作為保護元件時，
次級繞組短路產(chǎn)生的影響

　　在一個交流120 V變壓器上進行了類似的試驗，將次級繞組短路，比較了PPTC器件和熱熔斷器的性能，試驗結果列在表1中 .這些數(shù)據(jù)表明，PPTC器的優(yōu)點是轉(zhuǎn)變到高阻狀態(tài)比較快，因而能夠限止繞組的最高溫度，從而保護變壓器繞組，并且保護接在變壓器次級的電路。

表1　在交流120V變壓器的初級電路中使用熱熔斷器和PPTC器件作為保護器件，
將次級繞組短路，比較這兩種元件的性能

　　CPTC器件是自復式保護元件；不過，由于這種器件的工作溫度相對較高，電阻大以及尺寸大，它們的應用可能會受到限制。CPTC器件的材料往往是脆性的，容易因為沖擊、振動和熱應力（許多電器在使用中因發(fā)熱或者冷卻會產(chǎn)生熱應力）而損壞。

　　傳統(tǒng)的雙金屬斷路器雖然廣泛地用于保護電器設備中的電動機，但是它們不能保持在自鎖狀態(tài)，需要另外采取措施防止它交替地接通和斷開。雙金屬片是用兩種不同的金屬粘結在一起。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，帶動一組觸點斷開，于是電流不能流過。一旦電流停止流過，溫度下降，雙金屬片便回到正常狀態(tài)，于是觸點閉合，電流又會在電路中流過。當電動機發(fā)生故障停止轉(zhuǎn)動時，雙金屬片斷路器就會交替地接通和斷開，一直到把電源切斷。

　　雙金屬斷路器的觸點會交替地斷開和接通，這有幾個缺點，其中包括材料疲勞、觸點容易損壞、出現(xiàn)火花或者觸點熔化在一起。如果雙金屬斷路器觸點"不能斷開" ，就會因為電流過大而損壞電動機以及接在后面的容易損壞的電子電路。雙金屬斷路器還可能會因為噪音或者“顫振”和電磁干擾（EMI）不能用于先進的電子控制系統(tǒng)。

交流電源的協(xié)同保護

　　從小型的廚房用具到專業(yè)高溫爐，都變得越來越復雜，功能越來越多，推動著這個產(chǎn)業(yè)走向電路集成，減少電路板的面積。保護敏感的電子元件，防止瞬變電壓、短路和使用者誤用而造成損壞，是制造廠商十分關心的問題。

　　例如，過去在設計控制電路板時，變壓器的初級電路和次級電路往往沒有使用過流保護，在發(fā)生故障的情況下，依靠變壓器把熱量散發(fā)出去，防止控制電路板受到損壞。然而，現(xiàn)在電路板上越來越多地使用容易損壞的固體器件，需要對電壓加以限制。

　　雷擊或電力站的負荷在切換時的瞬變過程會產(chǎn)生很高的電壓或者很大的瞬變功率，加在電氣設備的交流電壓輸入端，可能會造成損壞。

　　在接到交流電網(wǎng)的輸入電路中使用過流和過壓協(xié)同保護，可以幫助設計人員達到安全機構的要求，并且減少元件數(shù)量，降低成本。

　　圖3說明了MOV如何與PPTC器件結合起來使用，在苛刻的交流環(huán)境下提高設備的可靠性，從而達到國際電工委員會IEC-61000標準的測試要求。

　　MOV器件可以流過很大的電流，吸收能量的能力很強，響應速度快，成本低，由于這些，適合于保護供電電路、控制電路板、變壓器和電動機。PPTC過流保護器件的額定交流電壓也是240伏，允許的最高間歇電壓為交流265伏，可以與MOV器件一起，安裝在交流電壓輸入電路中。

　　自復式PPTC器件和一次性使用的電流熔斷器不同，自復式PPTC器件可以幫助保護由于略微增加的故障電流而引起溫度上升的場合。當PPTC元件安裝在變壓器的初級電路中，靠近可能產(chǎn)生熱量的元件，例如磁性元件、場效應晶體管（FET），或者大功率電阻器，那么只需要用一個PPTC器件，就可以實現(xiàn)過流和過熱保護。

　　在一些情況下，電網(wǎng)超負荷可能會引起MOV器件處在鉗位狀態(tài)，這時電流會繼續(xù)在它里面流過，最終可能會因為溫度過高而導致器件不能工作。把PPTC器件裝在靠近MOV器件附近，可以保護MOV器件長時間工作于過載狀態(tài)—這是由于把熱量傳送給PPTC器件，PPTC器件較快轉(zhuǎn)變到高阻狀態(tài)，從而限制了MOV器件中流過的電流， 保護了MOV器件，從而能夠通過IEC 61000-4-5測試。

　　這樣使用PPTC器件時，設計人員可以充份利用它的溫度響應，并且用它取代電路中的其他熱保護器件。在這種情況下，PPTC器件起這兩個作用，而且還是一種完全可以自復的辦法。在把故障排除并把電源切斷之后，器件會恢復到正常狀態(tài)，一般不需要維修或者更換元件。這有利于降低保修和服務成本，并提高客戶的滿意程度。

　　在選擇PPTC器件和MOV器件時，要根據(jù)國際電工委員會的IEC61000-4-5標準，按照設備的要求和設備本身的工作條件來進行。在選擇PPTC器件時，要考慮的主要問題是，在正常環(huán)境下運作時，器件的保持電流額定值要和電子設備變壓器的初級電流配合。

結語

　　利用過流、過熱和過壓協(xié)同保護，可以幫助設計師盡量減少元件數(shù)量，減少電動機和控制電路板的變壓器損壞而造成的返修。PPTC器件的電阻小，轉(zhuǎn)換到高阻狀態(tài)的速度很快，也很薄，它的功能可以自動恢復，因而可以幫助電路設計人員設計出安全可靠的產(chǎn)品，并且達到監(jiān)管機構的要求。 Raychem的PolySwitch器件可以廣泛用于設計電器設備，它符合UL 1434標準，得到CSA和TUV認可，符合RoHS條例的要求，并且可以使用無鉛焊料，可以使用進行大批量生產(chǎn)的組裝工藝。

參考文獻：

　　1. Faraz Hasan，‘用于家用電器的綜合電路保護’，電子產(chǎn)品世界，2008.2

　　2. Faraz Hasan，‘額定線電壓PPTC器件幫助保護電器電機和變壓器’，精選實用電子設計100例，電子產(chǎn)品世界，2007