PPTC元件温度特性分析与在电器超温过载保护上的应用阐述.doc

附件：“全国电器附件行业技术交流大会”论文PPTC元件温度特性分析与在电器超温过载保护上的应用阐述The thermal characteristic of PPTC components and the application to protect the electrical apparatus against over temperature-好利来（中国）电子科技股份有限公司 研发部 李渠陵 李鹏 吴惠平 摘要 PPTC热敏电阻元件往往被用作可以复位的电流保护元件，在各种电器的输出过载或短路保护上有较好的表现。而本文，还原了PPTC的热敏属性，就其电阻、动作温度特性进行了实验和理论研究。实验数据表明：PPTC在不同的电流下，会在不同的温度点出现明显的跳跃式的电流突降。也就是说通过匹配适当的参数的PPTC元件，可以为电器提供适合的保护温度。由此，本文为PPTC的应用提供了一个新的领域，并为电器设计者较详细地阐述了其在超温保护上的应用方法。 PPTC sensitive components are being used as over current protective devices,and are effective to protect apparatus against put-out over load and short-circuit.In this article,we re-discuss the thermal sensitive characteristic, and discuss the relations between the resistance and tripping action with ambient temperature. The tests show that different current flow over the PPTC components will decrease sharply to trip at different temperature. By the way ,a suitable PPTC component will protect the apparatus against over temperature at a suitable temperature.The article show a new application of PPTC components,and the new way to protect apparatus against over temperature.1. PPTC 及其一般应用PPTC 材料是由高分子聚合物中混入碳黑粒子或其他导电微粒后制成具有半导电特性热敏材料，其电阻值会随温度的提高而在一定温度后出现阶跃式增大。如图.1.所示，自复保险丝主要由高分于复合物及导体微粒组成,在正常工作时，聚合物紧密地将导体包在结晶状的结构内，导电微粒的量足够多时，会堆积而形成一个个链段，链段相连构成一个低阻抗的导电通道。（如图.1.左侧所示）。图.1.PPTC工作原理当温度升高到结晶熔化时（如图.1.右侧所示），热便会改变聚合物的结晶状态及出现膨胀，使被包在聚合物上的导体链分离，导致阻抗迅速提高；而当温度降低后，高分子重新结晶，导体链键又重新建立恢复成低阻抗。由PPTC材料制成的元件被称为：自复保险丝。自复保险丝主要是串接于输出回路里对过电流进行保护。当太大电流流过时，自复保险丝以I2R功率发热膨胀，使碳粒子分离，电阻增大。发热越快，膨胀越迅速，使其阻值递增加剧。当元件内部温度升到125，电阻增大更剧烈。电阻的增大使得线路中的电流急剧下降，只有一个小量电流仍流过元件。它足以维持元件的温度，并使元件保持高电阻状态 达到阻断电流保护电器的目的。当电源开关关闭及故障消除后，自复保险丝就会冷却。它冷却后，会恢复至初始状态，并重新使导电粒子相互连接，其电阻又降至可流过额定的不动作电流水平。这种循环可重复很多次。如图.2.所示，在点1时温度较低，产生的热和散热达到热平衡；点2为当流过的电流或环境温度较高时，自复保险丝的热平衡状态；点3为电流或环境温度继续增加时的热平衡临界点，此期间很小的温度变化就会造成阻值的大幅度提高，在点4时自复保险丝正处于动作保护状态，阻抗的速增限制了大电流的通过，而使保护设备免受损坏。图.2.综上所述，PPTC元件在对过电流响应时，实际是因热能的作用引起自身温度升高所致。那么，PPTC元件的热学特性又对电器的过热保护又什么样的效果呢？2. PPTC温度特性的实验探索从上面看，PPTC本身就是热敏材料，所以由它制作出的元件的特性就一定与温度相关联。因此，我们用PPTC元件做了温度特性试验。试验步骤如下：试验1：R-T特性测试将PPTC样品置于恒温箱里，用导线引出，用电阻仪测量电阻值（采用四电极）。烘箱升温速度控制在2/min,记录各温度点上的电阻值。图.4.即是几个样品测试统计的结果。PPTC在常温下是处于低电阻状态，在一定温度后，电阻开始出现非线性的突变，图.4.示的该PPTC在85-110就开始出现增大的变化，而在120-130就出现了越来越大的正温度系数的变化。在135左右，又出现一个拐点后变化趋缓。试验2：恒定电流与温度关系测试将PPTC样品置于恒温箱里，用导线引出，并按如下电路连接。 图.3.实验中我们采用的直流恒压电源。电源的输出电流由模拟负载-线性电阻RL设定。而负载电阻按下式计算： RL=U/IH-RP25其中：U:是恒压源输出电压； IH:是预设的工作电流或保持电流； RP25:是PPTC在25是的初始电阻值。阶段式升高温度，每次升温2，每次恒温10min，记录个温度点流过PPTC及负载的稳定电流。 图.5.是一由几个型号PPTC自复保险丝在模拟10mA工作电流下得到的恒定电流随温度变化曲线。表.1.列出了不同规格PPTC在10mA和24mA，30V模拟工作电流下测试情况。 图.4.PPTC电阻与温度的关系 图.5.PPTC保持电流与温度关系 表.1.不同型号在不同保持电流的动作温度电源：30V，10mA,型号PTMK002PTMK008PTMK009PTMK010PTMK015PTMK020额定保持电流0.02A0.08A0.09A0.10A0.15A0.2A样品电阻108.621.5112.09.665.953.53动作温度77-7892-9396-9798-9999-100101-102电源：30V，24mA,样品电阻117.121.9112.758.936.194.07动作温度30-3572-7481-8283-8588-9092-94试验 3：响应时间（动作时间）与温度关系测试将PPTC样品置于恒温箱里，用导线引出，并按图.3.电路连接。实验中我们采用的直流恒压电源。电源的输出电流由模拟负载-线性电阻RL设定。调节恒温箱温度，每5一个点（每个点恒温10min）给回路通电，记录PPTC的响应时间和温度的关系。图.6.即一支样品在相同的电流，不同的温度情况下，PPTC的响应时间和温度的关系曲线图。 图.6.PPTC动作时间与温度的关系实验中有三个现象值得注意:1. 在一定的电流下，随着温度升高，PPTC均会在一定温度时触发而使电流降低很多；而不同的规格PPTC又会有不同的响应温度。PPTC的额定保持电流越大，其对温度的响应温度点就越高。2. 同一规格的PPTC在不同的电流下对温度的响应不同，在越大的电流下，对温度的响应温度点就越低。3. 同样的触发电流，环境温度越高，PPTC的动作时间就越短。3. 实验分析 从实验数据可以看出，PPTC的阻抗、所能保持的电流均与温度密切相关，同一动作电流下，PPTC元件响应也会因温度升高而变得更快。简而言之，PPTC元件就其自身的热敏特性，可以使其在某一特定温度下触发而使线路电流急速降低达到保护电器不会因过热而烧毁的目的。这也说明PPTC元件除了能对过电流响应以外，同时还可以对过热产生响应。 实验还表明:PPTC元件的触发温度不是元件单一确定的，是与元件所通过的电流相关联。要想获得相应的保护温度，必须选用不同的型号规格。由图.5.和表一可见，元件的额定保持电流越大，在相同电流下的触发响应温度就越高。同时，也要注意，图.4.可以看到，在125-135时，PPTC元件电阻已经变得很大，即，即使流经的电流很小，此时的PPTC元件也是处于关断的高电阻状态。4. 结语从本文我们可以得