過流保護(hù)用PTC熱敏電阻應(yīng)用原理及相關(guān)電路
產(chǎn)品概述
過流保護(hù)用PTC熱敏電阻是一種對(duì)異常溫度及異常電流自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)恢復(fù)的保護(hù)元件，俗稱"自復(fù)保險(xiǎn)絲""萬次保險(xiǎn)絲"。它取代傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，可廣泛用于馬達(dá)、變壓器、開關(guān)電源、電子線路等的過流過熱保護(hù)，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻通過其阻值突變限制整個(gè)線路中的消耗來減少殘余電流值。傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲在線路熔斷后無法自行恢復(fù)，而過流保護(hù)用PTC熱敏電阻在故障撤除后即可恢復(fù)到預(yù)保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)再次出現(xiàn)故障時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)其過流過熱保護(hù)功能。
選用過流保護(hù)用PTC熱敏電阻作為過流過熱保護(hù)元件，首先確認(rèn)線路最大正常工作電流（就是過流保護(hù)用PTC熱敏電阻的不動(dòng)作電流）和過流保護(hù)用PTC熱敏電阻安裝位置（正常工作時(shí)）最高環(huán)境溫度、其次是保護(hù)電流（就是過流保護(hù)用PTC熱敏電阻的動(dòng)作電流）、最大工作電壓、額定零功率電阻，同時(shí)也應(yīng)考慮元件的外形尺寸等因素。 如下圖所示：使用環(huán)境溫度，不動(dòng)作電流及動(dòng)作電流三者之間的關(guān)系。
應(yīng)用原理
當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時(shí)，通過過流保護(hù)用PTC熱敏電阻的電流小于額定電流，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻處于常態(tài)，阻值很小，不會(huì)影響被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)故障，電流大大超過額定電流時(shí)，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻陡然發(fā)熱，呈高阻態(tài)，使電路處于相對(duì)"斷開"狀態(tài)，從而保護(hù)電路不受破壞。當(dāng)故障排除后，過流保護(hù)用PTC熱敏電阻亦自動(dòng)回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。
圖2為電路正常工作時(shí)的伏-安特性曲線和負(fù)載曲線示意圖，由A點(diǎn)到B點(diǎn)，施加在PTC熱敏電阻上的電壓逐步升高，流過PTC熱敏電阻的電流也線性增加，表明PTC熱敏電阻的電阻值基本不變，即保持在低電阻態(tài)；由B點(diǎn)到E點(diǎn)，電壓逐步升高，PTC熱敏電阻由于發(fā)熱而電阻迅速增大，流過PTC熱敏電阻的電流的也迅速降低，表明PTC熱敏電阻進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。正常的負(fù)載曲線低于B點(diǎn)，PTC熱敏電阻就不會(huì)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。
通常而言有三種過流過熱保護(hù)的類型：
1、電流過載（圖3）：RL1為正常工作時(shí)的負(fù)載曲線，當(dāng)負(fù)載阻值減少，如變壓器線路短路，負(fù)載曲線由RL1變?yōu)镽L2，超過B點(diǎn)， PTC熱敏電阻器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；
2、電壓過載（圖4）：電源電壓增加，如220V電源線突然升到380V，負(fù)載曲線由RL1變?yōu)镽L2，超過B點(diǎn)， PTC熱敏電阻器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；
?????? 
3、溫度過熱（圖5）：當(dāng)環(huán)境溫度升高超過一定限度，PTC熱敏電阻器伏-安特性曲線由A-B-E變成A-B1-F，負(fù)載曲線RL超過B1點(diǎn)，PTC熱敏電阻器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；
過流保護(hù)電路圖
型號(hào)參數(shù)
過流保護(hù)PTC熱敏電阻器選用指南
1.最大工作電壓
PTC熱敏電阻器串聯(lián)在電路中，正常工作時(shí)僅有一小部分電壓保持在PTC熱敏電阻器上，當(dāng)PTC熱敏電阻器啟動(dòng)呈高阻態(tài)時(shí)，必須承受幾乎全部的電源電壓，因此選擇PTC熱敏電阻器時(shí)，要有足夠高的最大工作電壓，同時(shí)還要考慮到電源電壓可能產(chǎn)生的波動(dòng)。
2.不動(dòng)作電流和動(dòng)作電流
為得到可靠的開關(guān)功能，動(dòng)作電流至少要超過不動(dòng)作電流的兩倍。
由于環(huán)境溫度對(duì)不動(dòng)作電流和動(dòng)作電流的影響極大(見下圖)，因此要把最壞的情況考慮進(jìn)去，對(duì)不動(dòng)作電流來說，選應(yīng)用在允許的最高環(huán)境溫度時(shí)的值，對(duì)動(dòng)作電流來說，選應(yīng)用在較低環(huán)境溫度下的值。
3.在最大工作電壓時(shí)允許的最大電流
需要PTC熱敏電阻器執(zhí)行保護(hù)功能時(shí)，要檢查電路中是否有產(chǎn)生超過允許的最大電流的條件，一般是指用戶存在產(chǎn)生短路可能性的情況。規(guī)格書已經(jīng)給出了最大電流值，超過這個(gè)值使用時(shí)，可導(dǎo)致PTC熱敏電阻器破壞或早期失效。
4.開關(guān)溫度（居里溫度）
我們可提供居里溫度80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃的的過流保護(hù)元件，一方面，不動(dòng)作電流取決于居里溫度和PTC熱敏電阻器芯片的直徑，從降低成本方面考慮，應(yīng)選用高居里溫度和小尺寸元件；另一方面須考慮，這樣選擇的PTC熱敏電阻器會(huì)有較高的表面溫度，是否會(huì)在線路中導(dǎo)致不希望的副作用。一般情況下，居里溫度要超過最高使用環(huán)境溫度20 ~ 40 ℃。
5.使用環(huán)境的影響
在接觸化學(xué)試劑或在使用灌注料或填料時(shí)，須特別小心鈦酸鋇陶瓷被還原導(dǎo)致PTC熱敏電阻器效應(yīng)下降，以及由于灌注造成的導(dǎo)熱條件變化，都可能導(dǎo)致PTC熱敏電阻器局部過熱而損壞。
附:電源變壓器過流保護(hù)PTC熱敏電阻的選用舉例
已知一電源變壓器初級(jí)電壓220V，次級(jí)電壓16V，次級(jí)電流1.5A，次級(jí)異常時(shí)的初級(jí)電流約300mA，10分鐘之內(nèi)應(yīng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，變壓器工作環(huán)境溫度-10 ~ 40 ℃，正常工作時(shí)溫升15 ~ 20 ℃，PTC熱敏電阻器靠近變壓器安裝，請(qǐng)選定一PTC熱敏電阻器用于初級(jí)保護(hù)。
1.確定最大工作電壓
已知變壓器工作電壓220V，考慮電源波動(dòng)的因素，最大工作電壓應(yīng)達(dá)到220V×（1+20%）=264V
PTC熱敏電阻器的最大工作電壓選265V。
2.確定不動(dòng)作電流
經(jīng)計(jì)算和實(shí)際測(cè)量，變壓器正常工作時(shí)初級(jí)電流125mA，考慮到PTC熱敏電阻器的安裝位置的環(huán)境溫最高可達(dá)60 ℃，可確定不動(dòng)作電流在60 ℃時(shí)應(yīng)為130~ 140mA。
3.確定動(dòng)作電流
考慮到PTC熱敏電阻器的安裝位置的環(huán)境溫度最低可達(dá)到-10 ℃或25℃，可確定動(dòng)作電流在-10 ℃或25℃時(shí)應(yīng)為340~ 350mA，動(dòng)作時(shí)間約5分鐘。
4.確定額定零功率電阻R25
PTC熱敏電阻器串聯(lián)在初級(jí)中，產(chǎn)生的電壓降應(yīng)盡量小，PTC熱敏電阻器自身的發(fā)熱功率也應(yīng)盡量小，一般PTC熱敏電阻器的壓降應(yīng)小于總電源的1%，R25經(jīng)計(jì)算：
220V × 1% ÷0.125A=17.6 Ω
5.確定最大電流
經(jīng)實(shí)際測(cè)量，變壓器次級(jí)短路時(shí)，初級(jí)電流可達(dá)到500mA，如果考慮到初級(jí)線圈發(fā)生部分短路時(shí)有更大的電流通過，PTC熱敏電阻器的最大電流確定在1A以上。
6. 確定居里溫度和外形尺寸
考慮到PTC熱敏電阻器的安裝位置的環(huán)境溫最高可達(dá)60 ℃，選擇居里溫度時(shí)在此基礎(chǔ)上增加40 ℃，居里溫度為100 ℃，但考慮到低成本，以及PTC熱敏電阻器未安裝在變壓器線包內(nèi)，其較高的表面溫度不會(huì)對(duì)變壓器產(chǎn)生不良作用，故居里溫度可選擇120 ℃，這樣PTC熱敏電阻器的直徑可減小一檔，成本可以下降。
7.確定PTC熱敏電阻器型號(hào)
根據(jù)以上要求，查閱我們公司的規(guī)格表，
即: 最大工作電壓265V，額定零功率電阻值15Ω± 20%，不動(dòng)作電流150 mA，動(dòng)作電流300 mA，最大電流1.2A，居里溫度120 ℃，最大尺寸為?11.0mm。
PTC的失效模式
衡量PTC熱敏電阻器可靠性有兩個(gè)主要指標(biāo)：
A.耐電壓能力----超過規(guī)定的電壓可導(dǎo)致PTC熱敏電阻器短路擊穿，施加高電壓可淘汰耐壓低的產(chǎn)品，確保PTC熱敏電阻器在最大工作電壓（Vmax）以下是安全的；
B、耐電流能力----超過規(guī)定的電流或開關(guān)次數(shù)可導(dǎo)致PTC熱敏電阻器呈現(xiàn)不可恢復(fù)的高阻態(tài)而失效，循環(huán)通斷試驗(yàn)不能全部淘汰早期失效的產(chǎn)品。
在規(guī)定的使用條件下，PTC失效后呈現(xiàn)高電阻態(tài)。長期（一般大于1000小時(shí)）施加在PTC熱敏電阻器上的電壓導(dǎo)致其常溫電阻升高的幅度極小，居里溫度超過200℃的PTC發(fā)熱元件相對(duì)要明顯。除PTC發(fā)熱元件外，PTC失效的主要原因是由于開關(guān)操作中陶瓷體中心產(chǎn)生應(yīng)力開裂。在PTC熱敏電阻器動(dòng)作動(dòng)過程中，PTC瓷片內(nèi)溫度、電阻率、電場、和功率密度的分布不均勻?qū)е轮行膽?yīng)力大而分層裂開。
使用注意事項(xiàng)
1、焊接
在焊接時(shí)要注意，PTC熱敏電阻器不能由于過分的加熱而受到損害。必須遵守下列的最高的溫度，最長的時(shí)間和最小的距離：
?????? 浸焊 烙鐵焊
溶池溫度 ????? max. 260 ℃ max. 360℃
釬焊時(shí)間 ????? max. 10s max. 5 s
距PTC熱敏電阻器最小的距離 ????? min. 6mm min. 6mm
在較惡劣的釬焊條件下將會(huì)引起電阻值的變化。
2、涂層和灌注
在PTC熱敏電阻器上加涂層和灌注時(shí)，不允許在固化和以后的處理中由于不同的熱膨脹而出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力。請(qǐng)謹(jǐn)慎使用灌注材料或填料。在固化時(shí)不允許超過PTC熱敏電阻器的上限溫度。此外，要注意到，灌注材料必須是化學(xué)中性的。在PTC熱敏電阻器中鈦酸鹽陶瓷的還原可能會(huì)導(dǎo)致電阻降低和電性能的喪失；由于灌注而引起熱散熱條件的變化可能會(huì)引起在PTC熱敏電阻器上局部的過熱而導(dǎo)致其被毀壞。
3、清洗
氟利昂，三氯乙烷或四氯乙烯等溫和的清洗劑均適用于清洗，同樣可以使用超聲波清洗的方法，但是一些清洗劑可能會(huì)損害熱敏電阻的性能，清洗前最好進(jìn)行試驗(yàn)或到我公司咨詢。
4、貯藏條件與期限
如果存貯得當(dāng)，PTC熱敏電阻器的存貯期沒有什么期限限制。為了保持PTC熱敏電阻器的可焊性，應(yīng)在沒有侵蝕性的氣氛中進(jìn)行貯藏，同時(shí)要注意空氣濕度，溫度以及容器材料。元件應(yīng)盡可能的在原包裝中進(jìn)行貯藏。對(duì)未焊接的PTC熱敏電阻器的金屬覆層的觸碰可能會(huì)導(dǎo)致可焊性能降低。暴露在過潮或過高溫度下，一些規(guī)格產(chǎn)品性能可能會(huì)改變，比如錫鉛的可焊性等，但是在正常的電器元件保存條件下可以長期保存。
5、注意事項(xiàng)
為避免PTC熱敏電阻器發(fā)生失效／短路／燒毀等事故，使用（測(cè)試）PTC熱敏電阻器時(shí)應(yīng)特別注意如下事項(xiàng)：
不要在油中或水中或易燃易爆氣體中使用（測(cè)試）PTC熱敏電阻器；
不要在超出"最大工作電流"或"最大工作電壓"條件下使用（測(cè)試）PTC熱敏電阻器。