（测试计量技术及仪器专业论文）ptcr综合性能测试系统的研制.pdf

摘要 p t c r 热敏电阻在许多领域获得了广泛应用。为了生产出合格的p t c r 热敏电阻产品， 需要对p t c r 热敏电阻进行性能测试。大部分生产厂家采用人工测试方法，费时，精度电不 高。但随着市场需求的扩大，对产品质量要求也相应提高。采用原始的通用仪器设备测试方 法已不能满足要求，这就要求我们研制专用p t c r 测试设各，力求节省人力财力资源，提高 测试精度和速度。 本文从实际应用出发，针对生产的实际需要，结合当今微电子技术和自动化技术的发展， 吸收现有设备的一些有益经验，研究并开发p t c r 热敏电阻特性综合测试系统，以期实现优 良的性能价格比，满足p t c r 热敏电阻生产厂家的需要。 本文涉及的测试系统硬件由一台计算机，一套温度测控系统和套p c t r 测试系统组 成。其主要内容包括一套温度控制系统的研制和一套p t c r 性能测试系统的研制，涉及的内 容包括模拟调理电路、单片机硬件电路，单片机软件及p c 机监控软件的设计及实现。为了 实现对被测对象的测试，对被测对象特性必须有深入的了解。首先我们对p t c r 热敏电阻本 身进行了研究，深入的了解其自身的特性。为了实现对温度良好控制本文还探讨了温度控 制算法。在p 1 r 特性中。本文结合理论与实践，实现了p t c r 阻温特性不动作特性和动 作特性测试。本文在信号调理电路及其保护电路，数字电路，大功率控制等方面都进行了有 益的探索。 关键词：p t c r 热敏电阻测试。温度 a b s t r a c t p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tr e s i s t o ri sw i d e l yu s e df o rp r o d u c i n ge l i g i b l ep t c r i ti s n e c e s s a r y t ot e s tt h ep t c r p r o d u c t m o s to f m a n u f a c t u r e r s t e s tt h ep t c r b yh a n d ，w h i c h n o to n l y w a s t e st i m eb u ta l s og e t sl o wp r e c i s i o n ，w i t he x t e n s i o no f m a r k e td e m a n d i m p r o v i n gt h eq u a l i t y o fp r o d u c ti sn e c e s s a r y , i ti s n o ts a t i s f a c t o r yb yt e s t i n gp r o d u c t sw i t ht h eg e n e r a li n s t r u m e n t s s p e c i a lp t c rt e s t i n gd e v i c es h o u l db ed e v e l o p e d t os a v et i m ea n de m a n c i a lr e s o u r c ea n di m p r o v e t h ea c c u r a c ya n ds p e e do f m e a s u r e m e n t m e e t i n gw i t ht h ed e m a n do fp r o d u c t i o na n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm e d e m m i c r o e l e e t r o n i c se n da u t o m a t i o nt e e h n e l e g i e s e n da s s i m i l a t i n gt h eu s e f a l e x p e r i e n c ef r o mt h ee x i s t i n gd e v i c e s ，t h i sp a p e rd e v e l o p sac o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i ct e s t i n g d e v i c eo f p t c rw i t hag o o db a r g a i nt os a r i s f yt h ef r r c rm a n u f a c t u r e r t h eh a r d w a r eo ft h et e s ts y s t e mi nt h i sp a p e ri n c l u d c sap c at e m p e r a t u r et e s ta n dc o n t r o l d e v i c e a n dap t c rt e s ts y s t e mt h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e rc o n s i s t so ft h ed e s i g n i n ga n d r e a l i z i n gt h et r a n s d u c i n go fa n a l o g u ec i r c u i t s ，m c uh a r d w a 心c i r c u i t s ，m c us o f t w a r ea n dp c s u p e r v i s i n gs o f t w a r e t om e a s u r et h ep t c rp r o p e r l y , w es h o u l dd e e p l yu n d e r s t a n dt h ep r o p e r t i e s o ft h es o b j c o tt ob em e a s u r e d a tf i r s t ，w es t u d yt h ep t c r i t s e l fa n dh a v ep r o f o u n dk n o w l e d g eo f i t sc h a r a c t e r i s t i c s t of u l f i l las t a b l ec o n t r o lo ft h e t e m p e r a t u r e w e a l s oh a v ed i s c u s s e d t e m p e r a t u r ec o n t s o la l g o r i t h mi nt h i sp a p e r o fa l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp t c t i l i sp a p e rh a s r e a l i z e dt h et e s t i n go f t h er e s i s t a n c ea n d t e m p e r a t u r ec i h - v e ，p t c ra c t i o na n di n a c t i o np r o p e r t i e s w oh a v ee x p l o r e di n s i g n a ld i s p o s i n gc i r c u i tw i t hi t s p r o t e c t i n gc i r c u i t , d i g i t a lc i r c n i ta n d h j g h p o w e rc o n t r o l k e y w o r d p t c l lt h e r m a lr e s i s t o r , t e s t ，t e m p e r a t u r e 东南大学硬士学位论文 学位论文独创声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：曩鲫锋 日期：z 。眩， 查塑查兰堡主堂笪笙奎 第一章绪论 1 1 前言 p t c r ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t r e s i s t a n c e ) 是指正温度系数热敏电阻，其显著特 性是随着温度的升高其阻值陡然增大，运用此特性可应用于温度控制、过流过热保护等场合。 p t c r 性能包括：电阻温度，电流- 时间、电压- 电流特性t 电阻- 频率特性等。由于p t c r 所具有的特殊功能，己在许多领域得到广泛应用。为了能更好地了解和使用p t c r ，对p t c r 的电特性进行测试是必要的。 12p t c r 测试设备国内外的研究现状i i 叫 关于p t c r 特性测试设备可分为两部分，一是测试p t c r 材料本身的，二是对p t c r 性能的测试。对前者材料科学有许多专门测试设备在此我们不加以论述。本文所研究的 p t c r 钡4 试设备指的是p t c r 产品特性测试仪器或者是p t c r 材料封装成p t c r 器件特性测 试设备。 随着p t c r 应用领域的扩大，国内出现了许多p 1 r 生产的厂家为了能生产出合格 产品，必须进行产品性能测试。 目前，由于缺乏优良性能价格比的p t c r 性能专用测试设备，大部分生产厂家采用人 工测试方法。通常采用普通商精度万用表进行电阻测量，普通温度计对一些湿度点进行阻温 特性测试这些传统方法，测贯时间长而且需要人工直接参与。费时，精度也不高。特别是在 进行动作特性和不动作特性测试时，还需要配备其他辅助设各进行相应特性测试，这样提高 了测试设备的投入。由于p 1 r 的电特性比较复杂，采用普通仪器设备进行测试比较烦琐， 速度很慢且不利于进行准确的测量，或者测试时需要大量人工进行参与，在进行少量的测试 时这种方法是可以采用的。但随着市场需求的扩大对产品质量要求相应提高。采用原始的 通用仪器设各测试方法已不能满足要求，这就要求我们研制专用p t c r 测试设备，力求节省 人力财力资源，提高测试精度和速度。 具有p t c r 综台性能测试的系统国内未见报道。国内研究p t c r 单个功能测试的仪器主 要有华中科技大学、武汉理工大学等，他们研究的测试仪器仅解决了手工测量的一些缺陷， 但是并未解决多功能、低成本等问题。本文则从实际应用出发，针对生产的实际需要，结合 当今微电子技术和自动化技术的发展，吸收现有设备的些有益经验，研究并开发p t c r 综 合性能测试仪以优良的性能价格比满足p t c 热敏电阻生产厂家的需要。 对于此类测试设备，从仪器功能上我们可以考虑将所有的测试功能集中到一台仪器( 或 系统) 中，形成一台多功能测试仪器，从而实现测试设备的简化只使用一套测试设备就可 以实现p t c r 多项电性能测试。我们电可以选择将每样功能用一台可程控仪器( 设备) 实现， 将多台不同功能仪器通过网络组合起来形成一个完整的p t c r 测控系统实现p t c r 所有的特 性测试，分开时可以作为单一功能使用，组台起来可以形成完整测试系统。我们还可以将测 试仪器和自动分选设备结合起来形成自动测试分选系统，进一步有利生产和标定。 从与计算机接口看，我们可以选择传统仪器采用的串口、普通并口以及i e e e 4 8 8 总线 等t 进一步的接i z 可以采用u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口和计算机进行通讯，这样就具 有了较高的通讯速度，能以很快的速度将测试数据发送到计算机，同时由于u s b 接口具有 支持热拔插特点，我们可以随时用u s b 接i z l 来进行通讯，我们还可以采用网络技术，通过 t c p i p 将测量数据传输到网络，可以实现远程测量。 另外，也可以采用数据采集卡来实现特性的测试。这就可以和虚拟仪器技术相结合， 查堕奎堂堡主兰竺堡兰 形成虚拟仪器，这也是该类测试设备一个重要发展方向。调理电路和控制电路是该类测试设 备的基础，通过高速高精度的数据采集卡可以实现高速高精度测量，利用计算机强大的数据 处理和显示功能，同样可以进行数据的收集、处理、存储、显示和打印。 l - 3p t c r 测试设备的测试目标及技术难点 本文所研究的p t c r 综合性能测试系统的测试目标是针对其过流保护特性而设置。 1 3 1p t c r 需要测试的电性能育： 电阻一温度特性、电流一时间特性( 动作特性) 、不动作特性、电压一电流特性、自恢复 特性、耐电流特性、耐雷电波特性、耐压特性、电阻频率特性等。 1 3 2 p t c r 特性测试含义及关键技术 1 电阻一温度特性 该特性是p t c r 的最基本特性。指在规定的电压下随着温度的变化，p t c r 零功率 电阻值随之变化的特性。 关键技术： 高精度控温设各：高温度稳定性，快速而稳定的升温( 1 0 ( 2 分钟) 。 高精度温度测量设备( o 0 1 ) ， 高精度高分辨率大跨度电阻测量设备，1 0 0 m ：o o lq 2 不动作特性： 反映p t c r 的静态特性，在实际应用中有着重要价值。该特性指在外加恒定电流下， p t c r 电阻值与时间的关系，体现p t c r 工作的稳定性。 关键技术： 高精度程控电流源： 3 动作特性 反映p t c r 的动态特性，该特性在实际应用极为重要，也是选择p t c r 的重要依据。 该特性指在恒定的外加电压( 一般为有效值电压) 下，p t c r 通过的电流与时间的关系。 关键技术： 高精度可程控大电流大功率电流源； 相应大功率保护电路； 4 电压一电流特性 p t c r 两端电压与电流的关系需要在零功耗情况下测量，通常采用脉冲电压源测 量。 关键技术： 高精度可程控大电流大功率电压源：( 0 - - , 1 0 0 0 v ) 相应保护大功率电路： 相应具有自保护能力测试电路； 5 耐压特性、耐流特性、恢复特性及耐雷电波特性 关键技术： 雷电波发生器； 高压保护电路： 1 4 本文研究内容 由于p t c r 综合测试系统的研制技术难度较大，再加上论文时间紧，所以本文主要研究 下列三个方面特性测试： ( 1 ) 阻温特性测试； 2 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 动作特性测试。 f 3 1 不动作特性测试。 阻温特性测试中遇到的最大问题是测量的电阻变化范围大，在室温时p t c 电阻为几欧 姆到几百欧姆。在居里点附近，p t c r 陡升，可以达到几百干欧姆甚至几十兆欧姆，电阻很 大的变化范围，仅采用简单的测试方法是不能实现的，本文采用多段自动量程调节分量程测 试方法实现，采用铂电阻( 7 3 k - 9 0 0 k ) 来完成温度的测量。 同时阻温特性测试要求系统温度可调，本文采用程序温度控制器来改变温度设定值t 同 时保证升温、降温速率稳定。在不动作特性测试、动作特性测试和伏安特性测试中要求被测 器件处于恒定的温度场中因此还必须研究可程控温度控制器和相应加热控制电路。本文将 专门研究温度控制系统，为了实现温度稳定控制还研究了温度稳定控制算法。 对于动作特性和不动作特性测试我们采用相应测试电路来完成，在以后的章节中我们将 具体论述。 东南大学硕士学位论文 第二章p t c r 基本特性与应用 为了能更好地设计p t c r 综合性能测试系统必须对p t c r 基本特性有深入的了解， 本章从分析p t c r 的基本概念入手，分析研究p t c r 的特性。 2 1p t c r 的基本概念i s , 6 1 目前得到普遍使用的p t c r 按材料可以分为陶瓷p t c r 和有机p t c r ，有机p t c r 有价 格低、常温电阻小等优点，陶瓷p t c r 有重复性好的特点两种p t c r 各有优缺点。 两种p t c 电阻有着不同的p t c 效应机理。 陶瓷p t c 电阻；陶瓷p t c r 的p t c 效应是由陶瓷基体中的晶界层产生，而晶粒本身并 没有p t c 效应。其p t c 效应的强度、常温电阻值的大小和基体中的晶粒大小、种类等都有 定的关系。 有机p t c 电阻；一般认为是有机基体中掺杂的导电粒子聚集形成导电链，随着温度的 升高导致导电链的断裂或导电粒子扩散从而使有机p 1 电阻的电阻变大，特别在有机晶体 的熔融点附近，导电链的状况急剧变化导致有机p t c r 的电阻值也急剧上升显现出强烈的 p t c 效应。其p t c 效应的强度、常温电阻的大小和填充的碳粒的含量、大小、表面积以及 在基体内的分布情况等都有关系。 2 2p t c r 的特性介绍i s l 1 ) 电阻温度特性：由于温度的升高导致p t c r 内部结构或状态的变化在p t c r 材料 的居里点附近变化特别明显( 电阻的变化率可达2 0 - - - 3 0 * d c ) 。根据电阻温度曲线变化速度的 不同，p t c r 电阻可以分为缓变型( 5 l o ) 和突变型( 】5 - - 6 0 ) 。其中突变型根据居里点 的不同又可以分为低居里点( 居里点在5 0 - - 1 2 0 x 2 之问) 突变型和高居里点( 居里点在1 2 0 3 4 0 之间) 突变型( 见图2 - 1 ) 。根据其特性的不同应用的场合也不同。利用p t c r 的此特性可 以用作过热、过流保护器件。 r p q 凹 蛊 罾 r b r n r m i n 2 5t mt b t p 温度( ) 图2 - 1p t c 热敏电阻的阻温特性 2 ) 电流时间特性：其电流随时间呈指数形式衰减。衰减系数与电阻温度系数成正比， 与外加电压、p t c r 的热容、元件的形状和大小均有关系( 见图2 - 2 ) 。利用p t c r 的此特性可 以用作消磁电阻。 4 东南大学硕士学位论文 甓 哥 1、 t 。= 2 5 。c 1，、 厂、厂、厂、八、 v v v v 州州州 jj j l 01 0 0 2 0 03 0 0 时间t ( m s ) 图2 - 2p t c 热敏电阻的电流时间特性 3 ) 电压电流特性：包括零功率伏- 安特性、静态伏- 安特性等。通过静态伏- 安特性我们 可以知道p t c r 在工作状况下的情况，也有利于我们确定p t c r 的工作点和适用条件( 见图 2 3 、。 s 一 燔 - 铆 图2 - 3p t c 热敏电阻的不同温度下的伏安特性 4 ) 电阻频率特性：p t c r 的电阻率不仅和外加的电压大小有关同时还与所加电压的频 率有关。 东南大学硕士学位论文 吕 嗵 a 赫 岛 脚 o f 厂l ，一 沪 一1 0 1 易 、 2 0 0 ，。、2 5 0 一_ t 乏荔 纱 01 0 0 2 0 0 图2 - 4 不同频率下p t c r 的阻温特性( k h z ) 从图2 - 4 中可以看出。同一温度下的陶瓷p t c r 的电阻值随测试电压频率的增加而有明 显的下降，其特性来源于晶体中晶界的势垒层，由于晶界的势垒层具有空间电荷因此势垒 层具有电容效应，使电阻率具有频率相关性。同时其r - f 曲线与温度有关，当温度高于居里 温度时，其r _ f 曲线相关性高，当温度低于居里温度时，其r 0 曲线相关性低。由于频率不 同，同一温度下，电阻率可有数量级的差别。其p t c 效应随着f 的上升面下降。当p = l m h z 时陶瓷p t c 元件不再具有正温度系数的特性 4 1 。 有机p t c 电阻的阻频特性与陶瓷p t c 电阻类似但其频率范围有所不同。 本论文对p t c r 频率特性进行模型化分析推导出两种p t c 热敏电阻的常温模型并最 终统一到个常温模型，并就两种p t c r 的交流特性结合实验测量数据进行分析。 2 3 p t c r 交流特性 7 - 1 3 j 1 3 1 交流等效模型 交流特性采用交流阻抗方法进行分析，其最基本的特点是把研究对象用一系列电阻和电 容的串联和并联的等效电路来表示。对陶瓷样品进行复阻抗分析，并建立适当的等效电路， 则可定量的区分开晶粒电阻、晶粒电容、晶界电阻及晶界电容。对有机样品进行复阻抗分析 并建立适当的等效电路。则可定量的区分开连续区，部分连续区和不连续区的等效电阻及电 容。许多研究者己对这方面进行了研究，但都未将两者的交流等效模型统一到起。本论文 认为两者可以用统一的模型来表示。陶瓷p t c r 的等效常温模型一般可以认为：陶瓷材料结 构组成为晶粒相( ”和晶界相( g b ) ，它们的电阻分别为r b ，r g b 电容c b ，c g b 等都不同， 当忽略接触电极电阻后，其等效电路如图2 - 5 所示： 查塑查堂婴主兰垡堡塞 一 蚺 图2 5 由于晶粒本身的电阻率很小，晶界的电阻率很大，两者相差达6 7 个数量级。我们可 以把晶粒部分看作电容极板、具有阻值的电阻和具有的分布电容，晶界部分看作电容介质和 绝缘电阻。晶界部分的阻抗受频率的影响比较大。晶粒部分电阻非常小，分布电容可忽略不 计这里可把模型简化为： 二hk 卜 图2 6 为了获得较强的p t c 效应，可提高晶界体积比例也可通过减小晶粒的大小达到此目 的。但在许多情况下，要求p t c r 有较小的常温电阻，这与增加晶界比例，提高p t c 效应 相矛盾。由于其常温电阻主要取决于晶粒和晶界部分的电阻率，可以通过寻找电导率较高的 材料或在陶瓷中掺入一定比例的导电微粒来解决此问题。陶瓷p t c r 的阻抗随着频率的变化 而变化，这是由于晶界的势垒层具有空间电荷，势垒层具有电容效应，使阻抗与频率相关。 同时其r - f 曲线与温度有关当温度高于居里温度时，其r - f 益线相关性高，当温度低于居 里温度时，其r - f 曲线相关性低。同一温度下，频率不同，阻抗可有数量级的差别，p t c 效 应也随着频率的上升而下降，有关资料表明【4 】，“当f 1 m h z 时，陶瓷p t c 元件不再具有 正温度系数的特性”。因为高频时，电容效应起主导作用，而该效应与温度无关。 有机p t c r 根据炭黑粒子分布情况不同其常温模型也有所不同：有机p t c r 中的聚合 物为基料、绝缘物，炭黑为良导体，在碳黑粒子的体积比小于临界比时，显现为很大的电阻 率，当炭黑粒子的体积比大于临界比时，显现为很小的电阻率。只有炭黑粒子的浓度在临 界浓度时才会具有较大的p t c 效应。炭黑粒子在聚合物基体中分布可以分为连续分布、部 分连续分布和不连续分布三种情况。下面是其对应的示意图。 图2 7 炭黑粒子在聚合物基体中分布示意图 在实际的器件中由于材料中的阻燃剂及其它杂质的作用情况可能会更为复杂，而且对 器件的影响可能很大。在常温态其模型可以是以上几种情况串并联共同作用的结果，我们统 归之为串联，由此可以得到如下模型： c 9 2 o 一 c g l吒知 r g l 图2 - 8 有机p t c r 交流等效模型 7 查壹奎堂堡主兰篁笙兰一 在实际应用中，要求有机p r r c r 有尽量小的常温阻值，从炭黑粒子的分布情况来看，尽 量减少不连续分布( 从工艺上可以控制) 因而c g l 较小图2 - 8 模型可进一步简化为： 图2 - 9 结合连续和部分连续的两种情况我们可以更进一步得到常温模型 图2 i o 根据现有导电链理论，为了实现较高的p t c 强度，要求炭黑的含量处于渗透区域， 即在常温时要求炭黑粒子分布处于连续态，显现为低阻态在高温时要求炭黑粒子处于不连 续态，显现为高阻。当然在中间温度中还会有中间态出现即部分连续态出现。当然这是一个 理想模型，在实际中我们不可能要求所有的碳黑粒子都呈现为该状态，即常温为连续态，中 间温度时呈现部分连续态，高温呈现不连续态。 最终我们实现的两种p t c r 统一常温模型为： 图2 1 l 从图2 - i l 的统一模型，我们分析一下p t c r 的交流特性。p t c r 直流时的常温电阻为 r i + r 2 ，在商温时，由于陶瓷p t c r 晶界的p t c 效应及有机p t c r 导电链断裂导致两者高 温时直流电阻远远大于常温时的直流电阻，体现出很强的p t c 效应。同时由于p t c r 具 有一定的容性：在低频时容抗显现为很大，电阻为r i + r 2 ，对于陶瓷p t c r 为晶粒的电阻r 1 r 2 为晶界的电阻，对于有机p t c r ，r i 为炭黑聚集体的电阻，r 2 为炭黑聚集体之间的接触 电阻。高频时容抗很小，阻抗由r l 决定。从而在交流情况下，随着频率的提高，复阻抗减 小。 2 3 2 交流特性试验及讨论 一、中低频实验： 根据上述模型及分析结果，我们分别选择有机p t c r 三个样品、陶瓷p t c r 五个样品进 行电阻频率特性测试。 ( 1 ) l k q 、1 0 k q 、l o o k q 三个频率点。 采用h p 公司l c r 测试仪进行测试。测试结果如下： 表2 - 1有机p t c 电阻的电阻频率特性测试结果 f & h z样品l q样品2 o 样品3 q l94 6 491 2 l95 8 9 l o94 4 6 9j 2 09 5 8 7 1 0 09 ，4 2 99 n 39 ，5 8 4 从模型分析 8 东南大学硕士学位论文 肚足+ 讯赫 利用表2 - l 数据，列出方程，求得r l ，r 2 ，c 值( 见表2 - 2 ) 表2 2 有机p t c 电阻测试结果得到的模型数据 ( 21 ) 样品1样品2样品3 r l ，q94 2 8 6 791 1 2 49 5 8 3 9 2 r 2 00 0 3 5 7 0 8 300 0 8 6 1 3 6 0 0 0 5 1 0 9 7 c m f0 4 5 8 8 9 606 7 3 9 6 725 3 2 5 表2 - 3 陶瓷p t c 电阻的电阻频率特性测试结果 舢z样品l q样品2 q 样品3 o样品4 q样品5 q l1 4 1 8 51 57 31 39 91 3 8 51 58 0 1 01 4 1 7 51 57 01 3 9 81 3 8 41 57 9 1 0 01 4 1 6 3 1 5 6 51 3 9 01 37 71 5 7 5 表2 - 4 陶瓷p t c 电阻测试结果得到的模型数据 样品1样品2样品3样品4样品5 r i o1 4 1 6 2 71 5 6 4 8 61 3 8 9 2 21 3 7 6 41 5 7 4 7 9 r 2 q00 2 2 4 5 2 lo0 8 1 8 3 8 60 0 9 7 9 3 8 70 0 8 6 1 3 600 5 2 2 0 8 6 e | 心0 6 4 5 9 0 5 0 1 4 9 8 2 80 0 5 51 4 2 50 0 6 7 3 9 6 70 1 4 9 5 2 9 从方程( 21 ) 来说，方程还有一个电容对应于负数的解，即认为电阻有感性成分，但从 实际测量结果来看电阻值随频率升高而下降说明容性成分起主要作用，我们把它等效为电 容。 表2 - 1 、表2 - 3 测试结果与上节分析结果吻合，说明模型的正确性。由于试验条件和现 有样品种类的限制，不能够进行多种的测试分析也不能够在完整的频率范围内测试p t c r 阻频特性，但在我们测试的l 1 0 0 k q 的范围内仍可以从测试结果中发现陶瓷p t c r 和 有机p t c r 的电阻值随频率的升高都有明显的下降。 二、高频实验 该试验我们采用了h p 8 7 5 3 网络分析仪。对于陶瓷p t c r 我们采用的频率范围为 1 0 k h z - 1 0 m h z ，频率的选择是根据试验测试的初步数据来选择的，此时结果有着较好的可 视性。对于有机p t c r 我们采用的频率范围为1 0 k h z - 6 g h z 。 阻抗为5 0 0 ) 0 q 匹配电阻 图2 1 2 网络分析仪测试线路 首先我们介绍几种常见的微波传输状态： 1 驻波状态：当微波长线终端短路、开路或接纯电抗负载时，终端的入射波都被全反射， 此时驻波比p = 0 0 ，反射系数i f l = 1 2 行波状态：当微波长线为半无限长或接负载阻抗等于长线特性阻抗时，入射波的功率被 负载全部吸收，即负载与长线匹配， 此时驻波比p = l ，反射系数f r j = 0 9 一 查塑奎兰堡圭兰丝堡兰 一 其中驻波比和反射系数的关系 p = 哿 口z ， 反射系数与负载阻抗的关系为 l r = 糍 ， 其中z l 为负载阻抗，与测量点有关； z o 为传输线的特性阻抗，与微波传输线的特性有关。 如果p t c r 适合高频电路的过流保护则我们期望的对应状态为 1 常温时，驻波k p p = 1 ，反射系数r ( z ) = 0 2 异常电流通过使p t c r 的温度升高时，驻波比p = 0 0 ，反射系数r ( z ) = 1 测试结果为： 6 包 羞 鲻 崔d 1 0 k h zf r e q u e n c y 图2 1 3 陶瓷p t c r 的测试曲线 图2 1 4 有机p t c r 的测试曲线 一点说明：在两曲线的左侧( 驻波比大于l o 的部分) 由于为了得到较好的显示效果而 0 一 查堕查堂堡圭兰垡笙兰 未画出，测试结果其实是非常陡高的曲线。在上面的图中我们仅显示了一次的对应测试结果， 在实际的测试中我们进行了多次的测试，发现测试的结果有着很好的重复性。 【讨论l ：从测试结果中我们可以发现：异常时有机p t c r 在很宽的频率范围( 0 l5 g h z ) 内有较大的驻波比( p 4 ) ，而陶瓷p t c r 在很窄的频率范围( 0 - - - 约1 5 m h z ) 内有较大的驻波比 ( p 4 ) 。从中我们可以发现有机p t c r 有可能更适用于高频时的过流保护，而陶瓷的适用频 率范围则比较窄。其中陶瓷p t c r 的测试结果与文献1 4 1 中“当p = i m h z 时，陶瓷p t c 元件 不再具有正温度系数的特性。”有着较好的一致性。 2 4 p t c r 工作原理 本文曾对p t c r 电压电流特性的研究，可以得到动作电流和不动作电流及动作前后 p t c r 特性从中我们可以直接看出p t c r 动作前后的特性。 采用的测试电路： 图2 1 5p t c r 动作特性测试图 其中的u 0 为被加在测电路两端的电压由调压器产生。r x 为p t c r 热敏电阻，凡为电 流测量电阻，采用的是具有高功耗的锰铜丝线绕电阻，具有很小的温度系数，能保证电流测 试的准确性。 由 ，。：i u 2 ( 24 ) 0 得 咚= 等 ( 2 s ， 测试结果如下： 以下为加电五分钟内无明显变化数据 表2 5 u o536l7 1809 099 51 1 1 51 25 01 45 3 l i o00 50 0 5 7 0 0 6 7 00 7 500 8 400 9 3 20 1 0 40 ，1 1 701 3 5 r x1 01 0 4 71 04 91 06 71 0 6 71 07 3l l0 41 1 1 4儿2 3 i1 3 01 5 1 1 61 68 51 7 。5j 8 4j 9 42 0 92 4 2 5 8 i o01 4 l 01 4 801 5 60 1 6 lo 1 6 901 7 70 1 9 l02 1 90 2 2 9 r x1 1 3 5l l8 2l l8 61 24 2 1 2 7 21 3 5 61 3 6 l1 3 7 01 65 9 在最后一组数据中电阻的变化值超过了规定的5 0 变化范围，因此我们认为此时p t c r 已经动作了。测试还发现当电路切断后p t c r 都能恢复到原来的阻值，说明p t c r 具有自 恢复特性。 东南大学硕士学位论文 表2 - 6p t c r 动作后工作情况 u o2 723 363 824 2 84 7 55 237 67 u l523 632282 52 _ 31 7 u 22 23 03 54 04 55 07 5 i ( m a ) 54 237 53 - 3 32 9 22 6 02 4 0l7 7 r x ( k ) 4 0 5 980 01 0 5 11 37 01 73 l2 08 34 23 7 从测试的结果来看，电源电压越高最后在恒定负载上的分压越小，动作后的残余电流越 小。 动作的根本原因是电路中的电流提高r x 上的热效应增加，r x 的温度上升，温度上升至 p t c r 材料的居里点，r 。( 阻值迅速提高，即显示动作特性，所以测试p t c r 在电路中的工 作情况应是看电路电流与r x 阻值之间的关系。 2 5p t c r 的典型应用1 1 4 - 2 3 1 2 5 1p t c r 作为过流保护器件的常用方法 利用热敏电阻器的阻温特性，可以制成温度开关，以实现对马达、变压器、大功率晶体 管等电路的过热保护。这神热敏电阻多采用突变型的，并且要求有低的电阻率( 以便减少对 负载的影响) 、大的温度系数( 以保证良好的开关特性) 及高耐压特性( 吼提高产品的可靠 性) 。过热的保护方法可以根据负载电流的大小采用如下的两种方式： 1 ) 直接保护法：适用与小电流的场合。小电流是指流过的电流不能因电阻器的自热温升 使其电阻值增大到的影响负载的程度。在此采用的是将p t c r 串联保护负载工作。电路如图 2 1 6 所示： 图2 1 6 直接保护原理图 其中热敏电阻的大小主要根据回路电流的情况来选择。首先根据回路电流值在伏安特性 曲线上找出回路电流线，并找出伏安特性曲线族中等阻一侧与电流线相交的特性曲线，从而 可以查出对应的电阻值，要求交点与转变点有着一定的距离。越近电阻值越大，响应时间也 越快，过近时有可能在电压波动时产生误动作。电阻选定后还应对电压值进行核算，应使等 电压线在曲线等阻线一侧的中间位置。同时直接保护元件的耐压值要求有相当的余量。因为 在过热保护动作以后，热敏电阻的电阻值发生跃变时电源的电压几乎全部加在热敏电阻器 上，此时对热敏电阻器的耐压有着较高的要求。 在这种方法的电路中，触发热敏电阻动作有两种可能性一是环境温度升高导致热敏电 阻的温度升高导致热敏电阻动作，另一种可能是由于过大电流通过导致热敏电阻自热温度升 高导致热敏电阻动作，甚至两者的共同作用下出现过电流耒到规定的电流值时热敏电阻已经 动作，从而出现过流保护的误动作。这种方法能够真正的抑制通过被保护器件的电流。 2 ) 间接保护法、 间接保护法指p t c 热敏电阻不直接接入被保护器件的回路中而是通过晶体管放大器或 其它方式间接地对保护器件实现保护作用。间接过热保护法其实是通过热耦台导致热敏电阻 动作，从而触发保护电路工作关断负载上的电源实现过热保护我们可阻这是真正的过热保 1 2 查塑查兰堡主兰篁笙苎 护方法。在这种方法中，热敏电阻器避开了大电流电路，因而可以对大电流器件进行保护。 此时，热敏电阻主要起温度检测作用，所以热敏电阻的安装要尽量靠近被保护的器件。 图2 1 7 间接保护电路原理图 2 5 2p t c r 作为过流保护器件应用 p t c r 过电流保护元件可使用的应用范畴包括： 冰箱、空调等家电的保护、手机电池、热水器、微波炉、电暖器、工业仪表、运载火箭、 人造卫星、飞机坦克、食品加工、扬声器、医疗仅器、粮食仓库、火灾报警、汽车水箱、电 机、摩托车、电子、通信( 包括程控电话交换机) 等。 一、在电信业上应用 当p t c r c 过电流保护元件用于电信总局设备，如商业电话系统、程控电话交换机等用户 终端通信设备时，可避免因雷击或电力线搭碰对通讯的影响：同时还可防止这种不正常电流 流入话机或其它用户终端设备中( 图文传真机或金融系统等) ，从而避免异常电流经由电话 线进入用户的话机内，给用户造成不便甚至身体的伤害；并可以保护电信设备( 如总配线架 保安单元) 免受损失或可能的危险。 二、计算机保护 p 亿r 过电流保护元件可用于提供计算机主机板上的键盘鼠标、s c s i 端口、显示器、打 印机及扫描仪( p r i n t e r 及s c a n n e r ) 、局域网络、硬盘驱动器( h a r d d i s k d r i v e t ) 、u s b 接 口等的过载及短路保护。并可为符合i e e e l 3 9 4 规格的第1 、2 、3 类标准电源的即插即用 ( p l u g 和p l a y ) 提供可靠的过电流保护。当其使用于笔记本电脑时，可以保护i ) c d c c o n v e r t e r ( 转换器) 、电池组及电池输出的保护。c p u ( 中央处理器) 、p cc a r d 、 d i s k d r i v e r ( 磁盘驱动器) 、c d r o m ( 光驱) 、m o d e m ( 调制解调器) 、v g a c r t 、k e y b o a r d ( 健 盘) 及m o u s e 、i n v e r t e r ( 逻辑门) 、i _ i p s 等。 三、在电池上的应用 p t c r 保护元件串接于可充电电池组上，可防止过度充电、外部短路或过热造成烧毁、电 池熔毁或爆炸。可安装于锂电池内防止电池固过流或过热导致危险。这种高能电池为不可重 复充电式，一般用于照相机上。而当用于可充电锂电池组时。除内置保护元件外，还需在串 接线路上亦安装一保护元件。这种电池一般用于移动电话及便携式计算机供较长时间使用。 摩托罗拉( m o t o r o l a ) 公司就在其手提电话中采用了高分子p t u r 取得良好效果。 四、在汽车上应用 正是由于p t c r 保护元件在其高阻态的“锁定”功能，汽车公司也选用它来保护驱动车 窗和车门锁的小型电动机。将这种保护元件直接装入车门，则可使电动机被独立地保护。而 传统的保险丝因保护不止一个电路，所以当一个保险丝烧毁时，所有的车窗和车门都无法工 作。当汽车被雨刷卡住时，则控制线路的电子元件会因微电机被卡停转所造成的过电流而烧 毁。其它微电机亦存在被卡停转问题，为避免此时微电机线路仍持续供电给线圈而造成电机 损坏，一般均串接上p t c r ，使微电机即将损坏前形成高阻抗，避免过大电流到线圈。马达、 风扇、吹风机亦类似。汽车防盗器中安装该保护元件亦可避免短路及过载造成的损坏。汽车 线束也可设计成单一线路保护。无需更换，减低配线成本。美国通用汽车( gm ) 已在其新 型电子汽车ev l 上创新地采用瑞侃公司的p o l y s w i t c h 自复性保险丝( 即为本文所研究的 查堕查兰堡主兰堡笙奎 一 p t c r ) 进行电路保护和设计，提高了可靠性，并为顾客免除了更换熔丝的麻烦。在c m 公司的 e v i 中装有3 0 个白复式保险丝以保护：防抱死制动模块、电动侧镜及门锁、车闸、倒车及 停车、高能停车灯、打火器、洗窗刷、驾驶台照明、收音机喇叭、充电口和风扇马达e 克 莱斯勒( c h r y s l e r ) 公司i9 9 6 年将p o y s w it c h 保险丝用于其小型面包车中的控制自动门 窗和座位调节的马达保护中，从而获得了塑料工程协会( s p e ) 19 9 5 年“最有创新性的塑料使 用”奖。该通电生热使元件温度急升，并保持高阻态，从而使用于c r t 退磁线圈电流的控制 时处于常态下的残留电流少，从而使退磁线圈产生的残余磁性不会对c r t 的画质产生不良 影响。 五、用于避雷装置 在架空线与铁塔支架之阃装配p t c r 可提高避雷装置的可靠性。当发生雷击时，强大电 流通过p t c r ，使元件温度上升，电阻增加，成为绝缘体，从而保护避雷装置。与过去的z n o 元件相比，前者平时( 低压) 为导电体而后音低压时为绝缘体。二者的等效回路亦不同前 者在间隙处容易放电，从而可使避雷效果得以改善。 六、在制冷压缩机中应用p t c r 起动继电器用于制冷压缩机的单相感应电动机上，其 常态阻值一般为1 1 0 0 。在起动电路中，它与辅助绕组串联；在起动时，有起动电流流过， 自身产生的焦耳热使温度升高。当达到开关温度时，电阻急剧增加，可达数十千欧以上，辅 助绕组电流基本上“截止”，起动过程完毕，电动机转入正常运行。目前p t c 起动器已可适 用于制冷压缩机中的全部类型的电动机即电阻起动型、电容起动型、电阻起动一电容运行 型和电容起动一电容运行型。其实际使用的是p t c 的电流时间特性。 七、用于其它电子产品的保护 测量仪器上的设备，如电源供应器、测量器及电池组等，以及电脑、电器、变压器、汽 车等电源供应器上，很容易因过电流或搭错线而损坏。有机p t c r 体积更小。工作电流可达4 0 a 以上，串接线路后可使其免受损坏。在工业控制系统串接上有机p t c r 保护元件，可避免 线路或元件因使用不当或搭错线路而烧毁，提供设备更高的可靠度。当有机p t c r 过流保护 元件安装于报警系统的每个外接单元上，可避免个别单元因过流过热而烧毁；干燥气候引起 的静电导致m c u 终止运转及元器件的损坏或失效，都将引起v c o 电源因过流而损坏；电子镇 流器的灯丝老化或短路会造成2 3 倍过流产生，使电路元器件损坏；高分子基p t c 保护元 件能非常有效地对这些异常状态作出保护，从而避免器材损坏。 下面介绍具体应用例子： 一、p t c r 在u s b 接口电路中使