C元件溫度特性分析與在電器超溫過載保護上的應用闡述講課稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。C元件溫度特性分析與在電器超溫過載保護上的應用闡述-附件：“全國電器附件行業(yè)技術交流大會”論文PPTC元件溫度特性分析與在電器超溫過載保護上的應用闡述ThethermalcharacteristicofPPTCcomponentsandtheapplicationtoprotecttheelectricalapparatusagainstovertemperature-好利來（中國）電子科技股份有限公司研發(fā)部李渠陵李鵬吳惠平摘要PPTC熱敏電阻元件往往被用作可以復位的電流保護元件，在各種電器的輸出過載或

2、短路保護上有較好的表現(xiàn)。而本文，還原了PPTC的熱敏屬性，就其電阻、動作溫度特性進行了實驗和理論研究。實驗數據表明：PPTC在不同的電流下，會在不同的溫度點出現(xiàn)明顯的跳躍式的電流突降。也就是說通過匹配適當的參數的PPTC元件，可以為電器提供適合的保護溫度。由此，本文為PPTC的應用提供了一個新的領域，并為電器設計者較詳細地闡述了其在超溫保護上的應用方法。PPTCsensitivecomponentsarebeingusedasovercurrentprotectivedevices,andareeffectivetoprotectapparatusagainstput-outoverloada

3、ndshort-circuit.Inthisarticle,were-discussthethermalsensitivecharacteristic,anddiscusstherelationsbetweentheresistanceandtrippingactionwithambienttemperature.ThetestsshowthatdifferentcurrentflowoverthePPTCcomponentswilldecreasesharplytotripatdifferenttemperature.Bytheway,asuitablePPTCcomponentwillpr

4、otecttheapparatusagainstovertemperatureatasuitabletemperature.ThearticleshowanewapplicationofPPTCcomponents,andthenewwaytoprotectapparatusagainstovertemperature.PPTC及其一般應用PPTC材料是由高分子聚合物中混入碳黑粒子或其他導電微粒后制成具有半導電特性熱敏材料，其電阻值會隨溫度的提高而在一定溫度后出現(xiàn)階躍式增大。如圖.1.所示，自復保險絲主要由高分于復合物及導體微粒組成,在正常工作時，聚合物緊密地將導體包在結晶狀的結構內，導電微粒

5、的量足夠多時，會堆積而形成一個個鏈段，鏈段相連構成一個低阻抗的導電通道。（如圖.1.左側所示）。圖.1.PPTC工作原理當溫度升高到結晶熔化時（如圖.1.右側所示），熱便會改變聚合物的結晶狀態(tài)及出現(xiàn)膨脹，使被包在聚合物上的導體鏈分離，導致阻抗迅速提高；而當溫度降低后，高分子重新結晶，導體鏈鍵又重新建立恢復成低阻抗。由PPTC材料制成的元件被稱為：自復保險絲。自復保險絲主要是串接于輸出回路里對過電流進行保護。當太大電流流過時，自復保險絲以I2R功率發(fā)熱膨脹，使碳粒子分離，電阻增大。發(fā)熱越快，膨脹越迅速，使其阻值遞增加劇。當元件內部溫度升到125，電阻增大更劇烈。電阻的增大使得線路中的電流急劇下降

6、，只有一個小量電流仍流過元件。它足以維持元件的溫度，并使元件保持高電阻狀態(tài)達到阻斷電流保護電器的目的。當電源開關關閉及故障消除后，自復保險絲就會冷卻。它冷卻后，會恢復至初始狀態(tài)，并重新使導電粒子相互連接，其電阻又降至可流過額定的不動作電流水平。這種循環(huán)可重復很多次。如圖.2.所示，在點1時溫度較低，產生的熱和散熱達到熱平衡；點2為當流過的電流或環(huán)境溫度較高時，自復保險絲的熱平衡狀態(tài)；點3為電流或環(huán)境溫度繼續(xù)增加時的熱平衡臨界點，此期間很小的溫度變化就會造成阻值的大幅度提高，在點4時自復保險絲正處于動作保護狀態(tài)，阻抗的速增限制了大電流的通過，而使保護設備免受損壞。圖.2.綜上所述，PPTC元件在

7、對過電流響應時，實際是因熱能的作用引起自身溫度升高所致。那么，PPTC元件的熱學特性又對電器的過熱保護又什么樣的效果呢？PPTC溫度特性的實驗探索從上面看，PPTC本身就是熱敏材料，所以由它制作出的元件的特性就一定與溫度相關聯(lián)。因此，我們用PPTC元件做了溫度特性試驗。試驗步驟如下：試驗1：R-T特性測試將PPTC樣品置于恒溫箱里，用導線引出，用電阻儀測量電阻值（采用四電極）。烘箱升溫速度控制在2/min,記錄各溫度點上的電阻值。圖.4.即是幾個樣品測試統(tǒng)計的結果。PPTC在常溫下是處于低電阻狀態(tài)，在一定溫度后，電阻開始出現(xiàn)非線性的突變，圖.4.示的該PPTC在85-110就開始出現(xiàn)增大的變化

8、，而在120-130就出現(xiàn)了越來越大的正溫度系數的變化。在135左右，又出現(xiàn)一個拐點后變化趨緩。試驗2：恒定電流與溫度關系測試將PPTC樣品置于恒溫箱里，用導線引出，并按如下電路連接。圖.3.實驗中我們采用的直流恒壓電源。電源的輸出電流由模擬負載-線性電阻RL設定。而負載電阻按下式計算：RL=U/IH-RP25其中：U:是恒壓源輸出電壓；IH:是預設的工作電流或保持電流；RP25:是PPTC在25是的初始電阻值。階段式升高溫度，每次升溫2，每次恒溫10min，記錄個溫度點流過PPTC及負載的穩(wěn)定電流。圖.5.是一由幾個型號PPTC自復保險絲在模擬10mA工作電流下得到的恒定電流隨溫度變化曲線。

9、表.1.列出了不同規(guī)格PPTC在10mA和24mA，30V模擬工作電流下測試情況。圖.4.PPTC電阻與溫度的關系圖.5.PPTC保持電流與溫度關系表.1.不同型號在不同保持電流的動作溫度電源：30V，10mA,型號PTMK002PTMK008PTMK009PTMK010PTMK015PTMK020額定保持電流0.02A0.08A0.09A0.10A0.15A0.2A樣品電阻108.621.5112.09.665.953.53動作溫度77-7892-9396-9798-9999-100101-102電源：30V，24mA,樣品電阻117.121.9112.758.936.194.07動作溫度3

10、0-3572-7481-8283-8588-9092-94試驗3：響應時間（動作時間）與溫度關系測試將PPTC樣品置于恒溫箱里，用導線引出，并按圖.3.電路連接。實驗中我們采用的直流恒壓電源。電源的輸出電流由模擬負載-線性電阻RL設定。調節(jié)恒溫箱溫度，每5一個點（每個點恒溫10min）給回路通電，記錄PPTC的響應時間和溫度的關系。圖.6.即一支樣品在相同的電流，不同的溫度情況下，PPTC的響應時間和溫度的關系曲線圖。圖.6.PPTC動作時間與溫度的關系實驗中有三個現(xiàn)象值得注意:在一定的電流下，隨著溫度升高，PPTC均會在一定溫度時觸發(fā)而使電流降低很多；而不同的規(guī)格PPTC又會有不同的響應溫度

11、。PPTC的額定保持電流越大，其對溫度的響應溫度點就越高。同一規(guī)格的PPTC在不同的電流下對溫度的響應不同，在越大的電流下，對溫度的響應溫度點就越低。同樣的觸發(fā)電流，環(huán)境溫度越高，PPTC的動作時間就越短。實驗分析從實驗數據可以看出，PPTC的阻抗、所能保持的電流均與溫度密切相關，同一動作電流下，PPTC元件響應也會因溫度升高而變得更快。簡而言之，PPTC元件就其自身的熱敏特性，可以使其在某一特定溫度下觸發(fā)而使線路電流急速降低達到保護電器不會因過熱而燒毀的目的。這也說明PPTC元件除了能對過電流響應以外，同時還可以對過熱產生響應。實驗還表明:PPTC元件的觸發(fā)溫度不是元件單一確定的，是與元件所通過的電流相關聯(lián)。要想獲得相應的保護溫度，必須選用不同的型號規(guī)格。由圖.5.和表一可見，元件的額定保持電流越大，在相同電流下的觸發(fā)響應溫度就越高。同時，也要注意，圖.4.可以看到，在125-135時，PPTC元件電阻已經變得很大，即，即使流經的電流很小，此時的PPTC元件也是處于關斷的高電阻狀態(tài)。