用于家用电器和专业电器中电动机、变压器及控制部件的协同电路保护器件

摘要： 自复式电路保护器件可以用来进行过热、过电流及过电压保护，用于先进设备中的电动机和风扇、控制器、 触按元件、显示器和接口电路的保护。

关键词： 家用电器保护；协同电路保护技术；PPTC；MOV

　　在家用电器和专业电器中使用的电动机、变压器和控制器经常会受到机械过载、过热、转子卡住、中线断开、电压严重地过高、潮湿等破坏性因素的影响。新的高分子聚合物正温度系数（PPTC）器件是针对电源电压为交流120伏和交流240伏的设备而设计的，能够帮助电器设计人员防止出现安全方面的问题、防止发生火灾，并且减少由于电动机损坏造成的产品保修期回收和更换的费用。

　　控制电路板变得日益精密和复杂，保护这种电路板，防止因为接错电源、电压突然升高或者短路而造成损坏，是设备制造商特别关心的问题。虽然电器设备中的变压器、变压器的外壳和连接线路能够承受较高的瞬变电压，但是，由于电路板上有容易因高电压而损坏的固体器件，需要改善对电流过大、温度过高及电压过高等问题的控制。

　　过流和过压协同保护还能够帮助设计人员达到安全机构的要求，尽量减少元件数量，并且提高设备的可靠性。在协同电路保护技术中使用的金属氧化物压敏变阻器（MOV）过压保护器件，与额定电压为电网电压的PPTC过流保护器件的配合，可以帮助制造商达到国际电工委员会IEC 6100-4-5标准的要求。这项标准是连接到交流电网上的设备的全球性电压和电流测试标准。

各种过流电路保护技术的比较

　　当变压器或者供电电路出现故障时，有些元件会过热。有几种电路保护方案可以防止故障以及由此引起的过热而造成损坏，其中包括热熔断器、电流熔断器和断路保护器。常用的办法是在变压器的初级电路中使用热熔断器，而在变压器的次级电路中使用过电流熔断器。

　　但是，在许多电器中，最好是使用自复式保护器件，例如PPTC器件、陶瓷正温度系数（CPTC）器件和双金属断路器，这些是首选的保护元件。在发生故障后，这些元件一般不需要更换，在切断电源和/或过流状况消除后，电路会回到正常的工作状态。

　　就变压器的保护而言，熔断器也许是最简单、成本最低的办法，但是，大多数设备制造商发现，自复式保护能够防止短路、电路过载或者使用者误用引起电流过大而造成的损坏，能够减少设备退回保修，所以使用自复式保护是有道理的。

　　泰科电子公司最近在各种变压器上对旗下的Raychem电路保护部的PolySwitch LVR器件进行了对比测试。这种器件在各种变压器中作为初级电路的保护元件。在试验中比较了PolySwitch LVR PPTC器件和热熔断器的性能和特性。

　　有的供电电源设计使用了一次性使用的热熔断器作为初级电路的保护元件。图1示出过热对这种变压器的影响。在这个试验中，变压器的次级短路，导致绕组的温度超过200℃。热熔断器的额定温度是115℃，安装在靠近铁芯中间的地方，它未能断开，结果绕组的绝缘层熔化，最后变压器损坏。

图1  在一个交流240伏的变压器中使用热熔断器作为初级电路的保护元件。
图中示出次级短路造成的影响

　　图2是一项试验的结果，其中用一个类似的变压器进行试验，使用PPTC器件作为初级电路的保护元件。加在变压器初级绕组上的输入电压是交流253 V，对次级绕组短路进行模拟。测量了初级绕组的表面温度（T初级）、次级绕组的表面温度（T次级）以及PPTC器件的表面温度（T-PPTC）。当PPTC器件的外部温度达到大约95℃时，初级绕组的温度大约是95℃，这时PPTC器件的电阻开始从低电阻转变为高电阻。一旦PPTC器件的电阻转变为高电阻，便限止了电流，绕组开始冷却。

图2 在交流240 V变压器的初级电路使用PPTC器件作为保护元件时，
次级绕组短路产生的影响

　　在一个交流120 V变压器上进行了类似的试验，将次级绕组短路，比较了PPTC器件和热熔断器的性能，试验结果列在表1中 .这些数据表明，PPTC器的优点是转变到高阻状态比较快，因而能够限止绕组的最高温度，从而保护变压器绕组，并且保护接在变压器次级的电路。

表1　在交流120V变压器的初级电路中使用热熔断器和PPTC器件作为保护器件，
将次级绕组短路，比较这两种元件的性能

　　CPTC器件是自复式保护元件；不过，由于这种器件的工作温度相对较高，电阻大以及尺寸大，它们的应用可能会受到限制。CPTC器件的材料往往是脆性的，容易因为冲击、振动和热应力（许多电器在使用中因发热或者冷却会产生热应力）而损坏。

　　传统的双金属断路器虽然广泛地用于保护电器设备中的电动机，但是它们不能保持在自锁状态，需要另外采取措施防止它交替地接通和断开。双金属片是用两种不同的金属粘结在一起。当电流超过双金属断路器的额定电流时，过大的电流所产生的热量会引起双金属片弯曲，带动一组触点断开，于是电流不能流过。一旦电流停止流过，温度下降，双金属片便回到正常状态，于是触点闭合，电流又会在电路中流过。当电动机发生故障停止转动时，双金属片断路器就会交替地接通和断开，一直到把电源切断。

　　双金属断路器的触点会交替地断开和接通，这有几个缺点，其中包括材料疲劳、触点容易损坏、出现火花或者触点熔化在一起。如果双金属断路器触点"不能断开" ，就会因为电流过大而损坏电动机以及接在后面的容易损坏的电子电路。双金属断路器还可能会因为噪音或者“颤振”和电磁干扰（EMI）不能用于先进的电子控制系统。

交流电源的协同保护

　　从小型的厨房用具到专业高温炉，都变得越来越复杂，功能越来越多，推动着这个产业走向电路集成，减少电路板的面积。保护敏感的电子元件，防止瞬变电压、短路和使用者误用而造成损坏，是制造厂商十分关心的问题。

　　例如，过去在设计控制电路板时，变压器的初级电路和次级电路往往没有使用过流保护，在发生故障的情况下，依靠变压器把热量散发出去，防止控制电路板受到损坏。然而，现在电路板上越来越多地使用容易损坏的固体器件，需要对电压加以限制。

　　雷击或电力站的负荷在切换时的瞬变过程会产生很高的电压或者很大的瞬变功率，加在电气设备的交流电压输入端，可能会造成损坏。

　　在接到交流电网的输入电路中使用过流和过压协同保护，可以帮助设计人员达到安全机构的要求，并且减少元件数量，降低成本。

　　图3说明了MOV如何与PPTC器件结合起来使用，在苛刻的交流环境下提高设备的可靠性，从而达到国际电工委员会IEC-61000标准的测试要求。

　　MOV器件可以流过很大的电流，吸收能量的能力很强，响应速度快，成本低，由于这些，适合于保护供电电路、控制电路板、变压器和电动机。PPTC过流保护器件的额定交流电压也是240伏，允许的最高间歇电压为交流265伏，可以与MOV器件一起，安装在交流电压输入电路中。

　　自复式PPTC器件和一次性使用的电流熔断器不同，自复式PPTC器件可以帮助保护由于略微增加的故障电流而引起温度上升的场合。当PPTC元件安装在变压器的初级电路中，靠近可能产生热量的元件，例如磁性元件、场效应晶体管（FET），或者大功率电阻器，那么只需要用一个PPTC器件，就可以实现过流和过热保护。

　　在一些情况下，电网超负荷可能会引起MOV器件处在钳位状态，这时电流会继续在它里面流过，最终可能会因为温度过高而导致器件不能工作。把PPTC器件装在靠近MOV器件附近，可以保护MOV器件长时间工作于过载状态—这是由于把热量传送给PPTC器件，PPTC器件较快转变到高阻状态，从而限制了MOV器件中流过的电流， 保护了MOV器件，从而能够通过IEC 61000-4-5测试。

　　这样使用PPTC器件时，设计人员可以充份利用它的温度响应，并且用它取代电路中的其他热保护器件。在这种情况下，PPTC器件起这两个作用，而且还是一种完全可以自复的办法。在把故障排除并把电源切断之后，器件会恢复到正常状态，一般不需要维修或者更换元件。这有利于降低保修和服务成本，并提高客户的满意程度。

　　在选择PPTC器件和MOV器件时，要根据国际电工委员会的IEC61000-4-5标准，按照设备的要求和设备本身的工作条件来进行。在选择PPTC器件时，要考虑的主要问题是，在正常环境下运作时，器件的保持电流额定值要和电子设备变压器的初级电流配合。

结语

　　利用过流、过热和过压协同保护，可以帮助设计师尽量减少元件数量，减少电动机和控制电路板的变压器损坏而造成的返修。PPTC器件的电阻小，转换到高阻状态的速度很快，也很薄，它的功能可以自动恢复，因而可以帮助电路设计人员设计出安全可靠的产品，并且达到监管机构的要求。 Raychem的PolySwitch器件可以广泛用于设计电器设备，它符合UL 1434标准，得到CSA和TUV认可，符合RoHS条例的要求，并且可以使用无铅焊料，可以使用进行大批量生产的组装工艺。

参考文献：

　　1. Faraz Hasan，‘用于家用电器的综合电路保护’，电子产品世界，2008.2

　　2. Faraz Hasan，‘额定线电压PPTC器件帮助保护电器电机和变压器’，精选实用电子设计100例，电子产品世界，2007