本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之PTC以及一些常用的電路。

 

1、概述:

 

防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、PTC、保險管、熔斷器、空氣開關、還有電感、電阻、電容等。

 

浪涌測試在EMC測試中屬于共模傳導性抗擾度的范疇，可以參考之前的文章《EMC 測試實質(zhì)之共模傳導性抗擾度》。

 

本文我們來詳細分析PTC的工作原理。

 

PTC(Positive Temperature Coefficient)為正溫度系數(shù)的熱敏電阻，有時也被叫做自恢復保險絲。

 

其原理符合如下所示：

和NTC（Negative  Temperature Coefficient）相對，溫度越高，電阻越高。溫度越低，電阻越低。

 

其基本工作原理如下：

 

電路正常工作時，PTC像普通電阻一樣，保持低電阻狀態(tài)，一旦有異常電流出現(xiàn)，PTC溫度上升，電阻急劇增加，從而起到限流保護作用。

 

在了解PTC的詳細特性之前， 我們先了解一個概念，那就是居里溫度。

 

居里溫度（C.P.）即阻值為25°C時的阻值的兩倍時所對應的溫度，如下圖所示：

室溫至居里點的范圍內(nèi)，電阻值稍有降低但基本維持一定。當環(huán)境溫度超過居里點，電阻值幾乎呈階躍性的增加。

 

居里點（C.P.）有多種類型，如下圖所示：

環(huán)境溫度超過居里點后，若仍然持續(xù)上升，PTC將失去正的溫度特性，阻值降低。阻值開始下降的點被稱為TN點。

因此，PTC熱敏電阻的額定值被設計為不得超過TN點。

 

如下圖所示為某系列PTC的R-T特性曲線：

陶瓷PTC的主要材料是鈦酸鋇（BaTiO3），當添加少量添加少量稀土元素（ Y、Bi、Sb等）時，其溫度特性與居里點相對應，如下圖所示：

 

在居里溫度前后，晶體結(jié)會構(gòu)發(fā)生改變。

 

低于居里溫度時為四方晶體結(jié)構(gòu)，其中存在電偶極子。

 

溫度高于居里溫度時變?yōu)榱⒎骄w，電偶極子消失。

 

陶瓷晶粒之間的邊界稱為“晶界”。氧離子被限制在晶界處，阻礙電子的流動。

 

以下是陶瓷PTC在掃描電子顯微鏡下的圖片：

 

在居里溫度以下，電偶極子電抵消氧離子，電子可以自由移動。在居里溫度以上，電偶極子消失，氧離子阻礙電子移動，電阻值上升。

 

以下表格描述的是BaTiO3和PTC的電阻溫度特性：

這種特性就造就了PTC的獨特特征，晶界電阻在較低溫度下保持穩(wěn)定。然而，當器件溫度升高時，晶界的電阻會上升。

以上是PTC的一些基本特性，下面講一些PTC相關的電氣特性和電氣參數(shù)。

 

伏安特性：

 

TC熱敏電阻的I-V特性如下圖所示：

?施加電壓使得電阻的內(nèi)部發(fā)熱和向外的散熱達到平衡狀態(tài)時，外加電壓和穩(wěn)定電流之間關系建立。

 

恒電阻區(qū)域內(nèi)V = IR關系成立，PTC熱敏電阻無自發(fā)熱。如圖所示PTC熱敏電阻還擁有最大電流點和恒功率區(qū)域兩個參數(shù)。

 

PTC的伏安特性和R-T曲線的對應關系如下：

 

PTC器件的溫度達到居里溫度后，PTC電流會隨著施加電壓的增加而減小，該區(qū)域稱為跳閘狀態(tài)，超過電流最大值也通常被稱為“跳閘”。

 

其伏安特性，也取決于其散熱情況和環(huán)境溫度，如下圖所示：

 

器件散熱條件好的，對應跳閘電流也大，環(huán)境溫度越低，跳閘電流越大。

 

除散熱條件和環(huán)境溫度之外，還可以通過初始電阻值、居里點，來進行合適的選型，如下圖所示：

若流經(jīng)PTC熱敏電阻的電流小于跳閘電流，如下圖所示，在負載曲線a與PTC熱敏電阻的伏安特性曲線交點A處穩(wěn)定，作為簡單的定值電阻工作。

?若流經(jīng)PTC熱敏電阻大于跳閘電流，在負載曲線b與伏安特性曲線的交點B處穩(wěn)定。

 

也就是說，當大于跳閘電流的電流通過電路時，PTC熱敏電阻的阻值增大，將電路電流衰減到小于跳閘電流的值，從而保護電源和負載。

 

PTC熱敏電阻的跳閘電流因環(huán)境溫度、阻值、溫度特性、形狀等因素而異。

 

如下圖所示，跳閘電流上限以上的電流區(qū)域稱為跳閘電流區(qū)域，下限以下的電流范圍稱為保持電流區(qū)域，上下限之間的電流區(qū)域稱為保護電流變動范圍。

如果電路電流小于保持電流，PTC熱敏電阻作為一個簡單的固定電阻工作，但當電流大于跳閘電流時，電阻值增加以執(zhí)行保護操作。

 

保護電流變動范圍的計算步驟如下：

 

根據(jù)能量守恒定律，電能=熱能，

常常根據(jù)這個值來計算其它溫度下的跳閘電流。其計算步驟如下：

 

同一元件的D和R相同，將Ia與環(huán)境溫度為25°C時的跳閘電流相比，

若居里點為120°C，在環(huán)境溫度條件為60°C及−10°C時，分別計算得出 :

?

電流-時間特性：

 

在分析電流時間特性時，先解釋幾個名詞，即突入電流、動作時間和保持電流。

 

突入電流，在啟動電子設備開關電源后，短時間內(nèi)流過的超過額定電流值的大電流。

 

動作時間，是指突入電流降至1/2所花費的時間，如下圖所示。

保持電流，是指電流電壓特性中，是指在不提高電阻（動作）的情況下能夠流過的電流值。

 

PTC的時間電流特性表示施加的電壓在電流最大點右側(cè)時，內(nèi)部發(fā)熱與向外散熱達到平衡狀態(tài)之前的電流與時間的關系，如下圖所示：

 

隨著施加電壓（電流）的增加，瞬時功耗增加，達到熱平衡所需的時間縮短。

 

當可將PTC器件帶入跳閘狀態(tài)的突入電流通過PTC 器件時，PTC將立即抑制電流。

 

如下圖所示電流-時間特性說明 了電流抑制動作，此動作時間取決于突入電流值和環(huán)境溫度。

 

具體而言，當施加較大突入電流或環(huán)境溫度設置較高時，工作時間會較短。

 

因為PTC器件的預熱速度也隨著電流的等級而提高，而且，跳閘時間會隨著環(huán)境溫度、單個PTC電阻值和PTC器件尺寸而變化。

 

下圖顯示，跳閘動作時間和單個PTC的電阻值相關，電阻越大，跳閘時間越短，因為W=I2R，電阻越大，發(fā)熱越多，升溫越快：

下圖顯示，單個PTC跳閘動作時間取決于環(huán)境溫度，例如型號為PRG21BC3R3MM1RA的PTC：

 

PTC的特性：

 

陶瓷PTC具有源自電子特性的陶瓷晶界的電阻變化而引起的耐溫特性。

 

陶瓷PTC的特性表明，當PTC重復地從跳閘狀態(tài)返回初始狀態(tài)時電阻不會發(fā)生變化。

 

因此，PTC器件在焊接和開關負載測試后的電阻變化很小，這個特性特性確保了電路的可靠性，這也是衡量不同品牌PTC可靠性的重要指標。

 

如下為村田和其它品牌的PTC器件的對比：

除了以上PTC的電氣特性和特征，我們在也常規(guī)PTC的數(shù)據(jù)手冊中還有一些參數(shù)需要我們識別，下面我們將以某一品牌的PTC對一些重要參數(shù)進行介紹：

?

最大電壓（Maximum voltage）：工作溫度范圍內(nèi)可以對PTC熱敏電阻持續(xù)施加的電壓最大值。

 

測試方法為，在25℃的靜止空氣中持續(xù)施加三分鐘也能承受的電壓為耐電壓。施加方式采用從0V開始，漸進上升至耐電壓的上升方法。

 

最大保持電流（Maximum holding current ）Int ：指在不提高電阻（動作）的情況下能夠流過的最大的電流值。

 

R25：PTC 在25℃下的正常電阻。

 

最大過載電流（Maximum overload current）Iol：PTC從低電阻區(qū)過渡到高電阻區(qū)所能流過的最大電流。

 

從圖中可以看出，低于額定電壓時，最大過載電流越大。

熱耗散常數(shù)（DISSIP. FACTOR）：在熱平衡狀態(tài)下，熱敏電阻在自發(fā)熱影響下溫度提高 1°C 所需的功率。

 

以上是對PTC基本參數(shù)和功能的概述，下面我們來分析PTC在使用上的注意事項。

 

2、PTC 使用時的注意事項：

 

PTC 是一種限流保護器件? 其電阻值可以隨通過PTC電流的增大而發(fā)生急劇變化，一 般串聯(lián)于線上用做過流保護? 

 

當外部線纜引入過電流時, PTC自身阻抗迅速增大, 起到限流保護的作用?

 

PTC反應速度較慢, 一般在毫秒級以上, 因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時基本發(fā)揮不了作用, 只能按它的常態(tài)電阻來估算它的限流作用? 

 

熱敏電阻的作用更多體現(xiàn)在諸如電力線碰觸等出現(xiàn)長時間過流保護的場合, 常用于電源線路的保護中?

 

PTC失效時為開路? 目前, PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種? 

 

其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料PTC的好? PTC用于單板上防護電路的最前級時, 采用陶瓷PTC較好?

 

在進行PTC期間選型時，我們一般重點關注以下幾個重要參數(shù)：

 

最大電壓。

 

正常工作下的電流

 

異常狀態(tài)下電流是否符合PTC的規(guī)格

 

如果只是想知道PTC該如何選型，其實看下面一張圖就完全可以了：

?

保持電流和跳閘電流取決于溫度，電流值隨著溫度升高而降低。

 

保持電流指在正常工作中可以流動的最大電流值。而且，跳閘電流指PTC器件移動到高電阻狀態(tài)所需的最小電流值。

 

保持電流值和跳閘電流值之間的差別用灰色表示。此區(qū)域表明PTC器件可以跳閘或正常工作。

 

?當使用PTC器件設計電路時，首先請檢查PTC器件的保持電流是否與產(chǎn)品的正常工作電流等級相匹配。

通過以上分析，我們可以選四個，如果需要，如果想對保持電流降額比較大，也可以選第二個。

 

在使用時要注意，PTC周圍常常有熱源，這就導致PTC的器件溫度高于大氣溫度，在這樣的情況下，我們可以將“實際PTC溫度”視為“環(huán)境溫度”。

另外，如果保持電流不符合正常電流值，則可以并聯(lián)使用2個PTC器件來解決。

 

但是要注意，PTC器件之間要保持一定的距離，否則，并聯(lián)的2個PTC的等效保持電流將小于單個PTC保持電流的2倍。

 

下面的做的一些測試實驗：

 

3、舉例

 

PTC 較多應用于電源電路中的過流保護，有保險絲的作用。

 

PTC的應用廣泛，可以應用到各行各業(yè)：

 

正常工作期間PTC電阻值穩(wěn)定。而且，當過電流流向電路系統(tǒng)時，器件溫度開始迅速升高，PTC電阻由于電流通過而呈指數(shù)增加。

 

只要向電路系統(tǒng)施加電壓，電阻就保持較高數(shù)值。完全移除電源后，PTC電阻隨著PTC溫度的降低而開始下降，然后復位至初始狀態(tài)。

 

由于陶瓷PTC中的非滯后特性，初始電阻和復位電阻之間幾乎不變。

 

典型應用電路：

 

電路一：典型應用，電源限流保護

 

當負載短路時，PTC電流瞬速增大，電流被限制，保護了電源。

 

電路二：三極管保護電路

當三極管超過一定溫度時，PTC電阻瞬速增大，三極管截止。

 

電路三：溫度檢測電路設計

此溫度檢測電路使用與正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻串聯(lián)的電阻器構(gòu)成分壓器，從而產(chǎn)生在溫度范圍內(nèi)呈線性的輸出電壓。

 

此電路將同相配置中的運算放大器與反相參考配合使用來對信號進行偏置和放大，從而幫助利用整個 ADC 分辨率并提高測量精度。

 

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電路四：馬達啟動電路設計

 

在單相交流馬達,PTC熱敏電阻基本是串聯(lián)在馬達的啟動線圈上，當馬達啟動時，PTC熱敏電阻初始阻值低故提供足夠的電流給輔助線圈以讓馬達正常啟動。

 

當電流經(jīng)PTC后，PTC自熱且阻值迅速上升，使電流降低，即斷開輔助線圈線路。

 

電路五：突波電流抑制作用

 

開關電源在啟動瞬間通常伴隨著極大的突波電流,使用PTC熱敏電阻可以取代一般的固定電阻或NTC。

 

除實現(xiàn)突波電流抑制器功能外，也能確保繼電器失效時，PTC在異常情況時仍可藉由升高的阻值特性截斷過電流。

 

電路六：電信過載保護應用

 

PTC熱敏電阻廣泛的應用在電信設備中作為過電流保護組件，且通常搭配過電壓保護組件，形成一個可恢復式過載保護電路以解決突波、電線搭接或感應等對電路產(chǎn)生的不良影響。

 

電路七：過載保護應用

 

PTC熱敏電阻不但針對過電流會作動反應，也可針對過溫度反應。

 

在電路中，PTC熱敏電阻阻值上升不僅抑制電源消耗也會降低電流。

 

傳統(tǒng)保險絲在熔斷后無法自行恢復，但是PTC熱敏電阻在一定的冷卻時間后有自我恢復的功能。

 

電路八：溫度傳感應用

 

PTC熱敏電阻安裝于比較電路(如圖16)的其中一支腳。PTC的電阻值Rp在正常溫度低于Rs，所以比較器輸出低電平。

 

異常溫度發(fā)生時，PTC會很快發(fā)熱達到開關溫度，阻值會高于Rs ，比較器輸出高電平。

 

 

PTC熱敏電阻的阻值會隨環(huán)境溫度的變化呈現(xiàn)高阻態(tài)或低阻態(tài)，此時可以通過電阻值的明顯變化來控制回路，進而達到電器組件不因過熱而損壞的目的。

 

還有如下應用電路：

電路九：加熱器應用

 

PTC熱敏電阻可持續(xù)提供恒溫，因而廣泛應用于加熱，如空調(diào), 柴油發(fā)動機預熱,門鎖,熱保護器….等設備的供給熱源。

 

 

電路十：電子鎮(zhèn)流器開關作用

                                                                                                                 

 

在整流線路啟動時，PTC熱敏電阻處于低電阻狀態(tài)，燈管因電壓不足而不會被點亮。

 

當電流流經(jīng)陰極，熱敏電阻的阻值迅速上升，電壓也跟著增加，因而點亮燈管。

 

一旦燈管點亮，陰極需要高頻(20~40 KHz )的電源，此時通過兩個FET開關供給可以避免燈光閃爍。

 

點燈后，PTC直到燈管關閉之前都不再有什么功用，直至下一次的點燈才會再次發(fā)揮緩啟動的功能。

 

PTC在電路中的應用數(shù)不勝數(shù)，在EMC中的應用就介紹到這里，此處只做拋磚引玉的作用，歡迎一起交流學習。