各种电路保护元件(压敏、热敏电阻)介绍演示幻灯片

1,电路保护元器件,2010年2月,系列讲座之一,2,电路保护元件,一次性熔断器,自恢复熔断器,熔断电阻,断路器,压敏电阻,放电管,静电抑制器,温度熔断器,温度开关,热敏电阻,瞬态电压抑制器,3,过电流保护元件,动力熔断器,车用熔断器,电子熔断器,高分子基体PPTC,陶瓷基体CPTC,4,一次性熔断器,熔断器是最常用的过电流保护元件，若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常上升到一定高度和持续一定时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用,5,自恢复熔断器,自恢复熔断器是一种正温度系数热敏电阻，当电路发生故障过电流时内阻升高，当达到居里温度时呈阶跃式突变，内部导电链呈雪崩态，电流被夹断，从而对电路进行限制和保护；当断电和故障排除后，一切能恢复为正常状态，无需人工更换。,6,熔断电阻器,熔断电阻器又称保险电阻，兼具电阻器和熔断器功能。当电路出现异常过载超过其额定功率时，它会像保险丝一样熔断，使连接的电路断开起到保险元件作用，对电路中的重要元件进行保护，通常仅能应用于短路保护。,7,断路器,断路器是一种很基本的低压电器，断路器具有过载、短路和欠电压保护功能，有保护线路和电源的能力。,8,过电压保护元件,气体放电管,固体放电管,高分子基体PESD,陶瓷基体CESD,普通浪涌抑制,高能量浪涌抑制,静电抑制,TVSER二极管,9,压敏电阻-突波吸收器,大量使用氧化锌为主体材料；当加在它上面的电压低于它阀值Un时，流过的电流极小，当电压超过Un时电流激增相当阀门打开，利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受损害。,10,TVS瞬态抑制二极管,瞬态抑制二极管是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受高能量大脉冲时，其阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，把电压钳制在预定水平，其响应时间仅为10-12毫秒，因此可有效地保护电子线路。,11,P-ESD静电抑制器,以Polymer技术为代表的ESD保护器件.高分子功能材料的内部菱形分子以规则离散状排列,当静电电压超过触发电压时,内部分子迅速产生尖端对尖端放电,将静电在瞬间泄放到地.最大特点是反应速度快(0.51ns)、非常低的极间电容(0.053pf),很小的漏电流(1A),非常适合各种接口的防护.,12,C-ESD静电保护器,以Ceramic技术为代表的ESD保护器件.采用新颖功能材料以及多层独石结构和低温共烧工艺制成,除了具有P-ESD产品的所有功能和特性以外,兼有触发电压更低和工作寿命更长等优点,使之成为TVS,MLV,PESD等静电保护元器件大家庭中性价比最好的品种.,13,气体放电管,一般采用陶瓷封装,内部充满电气性能稳定的惰性气体,正常条件下是关断的，极间电阻达兆欧以上。当浪涌电压超过电路系统耐压强度时，气体放电管被击穿而发生弧光放电现象，由于弧光电压仅为儿十伏，从而可在短时间内限制了浪涌电压的迸一步上升。,14,固体放电管,利用晶闸管原理制成的过压保护器件，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电,可以流过很大的浪涌或脉冲电流.其击穿电压的范围构成了过压保护的范围.用于保护敏感易损的集成电路，使之免遭雷电和突波的冲击而造成的损坏。具有精确导通、快速响应、浪涌吸收组能力强、可靠性高等特点.,15,过温度保护元件,低熔点合金,感温触发,双金属片,正温度系数PTC,负温度系数NTC,16,低熔点合金温度熔断器,温度保险丝是防止发热电器或易发热电器温度过高而进行保护的，例如：电吹风、电熨斗、电饭锅、电炉、变压器、电动机等等,通过调整合金的配方就能够调节熔化的温度.,17,感温触发热熔断体,热熔断体的有效触发机构是一种具有独特结构不导电的小感温体，在正常操作温度下，固态的小感温体顶住弹簧使引线与壳体保持接触，从而连通电路,当达到某一预定温度时，小感温体溶化，使得行程弹簧推动触片，电路被断开.,18,温度开关/热继电器,用双金属片作为感温组件的温控器,电器正常工作时,双金属片处于自由状态,触点处于闭合/断开状态,当温度达到动作温度时,双金属片受热产生内应力而迅速动作,打开/闭合触点,切断/接通电路,从而起到控温作用。当电器冷却到复位温度时，触点自动闭合/打开，恢复正常工作状态。,19,正温度系数热敏电阻,正常情况下陶瓷材料将导体微粒紧密束缚于结晶状结构内，构成一种低阻抗炼键，线路上流经电流所产生的热量很小，从而电路保持低阻导通；电流增加时温度也会上升，温度会改变结晶结构变成胶状，导体便会分离，阻抗迅速提高，使回路的电流迅速变小，达到保护目的,20,负温度系数热敏电阻,以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件，它的电阻值随温度升高而降低，利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温元件，又可以制成功率型元件，抑制电路的浪涌电流。,21,热敏电阻分类,按阻值-温度系数,按阻值-温度变化大小,按材质不同,22,热敏陶瓷,陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其电阻率约为10-4107.cm。半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随环境而变化，利用这一特性，可制成各种不同类型的陶瓷敏感器件，如热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。,23,热敏陶瓷,热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。,热敏陶瓷,热敏电容,热敏电阻,热释电材料,正温度系数热敏电阻,负温度系数热敏电阻,热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件。,电阻值随温度升高而增加的称为正温度系数（PTC）热敏电阻PositiveTemperatureCoefficient,电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数（NTC）热敏电阻NegativeTemperatureCoefficient,24,CeramicPositiveTemperatureCoefficientCPTC热敏电阻,陶瓷正温度系数热敏电阻,25,概述,目前得到广泛应用的是钛酸钡(BaTiO3)系陶瓷PTC热敏电阻器。BaTiO3陶瓷是一种典型的铁电材料，常温下其电阻率大于1012.cm，为绝缘体。在这种材料中引入稀有元素，可使其电阻率下降到10.cm以下,成为具有很大的正温度系数的半导体陶瓷材料，在居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大4-10个数量级，产生PTC效应。,26,概述,PTC效应即为电阻随温度上升阶跃式增高的现象，其原因在于：,其结构由晶粒、气孔及晶界组成，在晶粒的界面上形成势垒阻碍电子越界进入到相邻区域中，因此产生高的电阻。,低温时势垒效应抵消，电子可以在晶粒间自由流动。,高温时势垒效应形成，阻碍电子在晶粒间的自由流动。,27,概述,陶瓷PTC热敏电阻材料组织是一种多晶体陶瓷，由晶粒、气孔及晶界组成。晶粒的尺寸大概在210m之间,每个晶粒内部都具有电极取向,且具有较小电阻的施主型半导体，晶界层是一层复杂的结构层，其电阻是晶粒的几倍到几十倍。晶粒的界面上在低温时由于高的介电常数和自发的极化强度阻碍势垒的形成，并使电子可以在晶粒间自由流动；温度高时势垒形成并阻碍电子在晶粒间的自由流动，导致电阻大幅度地增高，呈现出强烈的PTC效应。,28,特性,陶瓷PTC热敏电阻具有三个基本特性：电阻-温度（R-T）特性；电压-电流（V-I）特性；电流-时间（I-t）特性。,29,（电阻-温度）特性,Tc：居里温度Rc：开关电阻R25：室温电阻T25：标准室温25Tmin：最小温度Rmin：最小电阻Tp：最大工作温度Rp：最大工作电阻Tmax：最大温度Rmax：最大电阻,Tc,R25,Rc,Rmin,Tmin,Tmax,Tp,Rp,T25,电阻-温度特性,30,（电阻-温度）特性,即是PTC的电阻与温度的关系。段：在温度低于Tmin时，电阻随温度的上升而下降，呈现负的温度系数特性。,段：若温度在Tmin与Tmax之间电阻随温度上升而急剧增大，呈现正的温度系数特性，具有应用价值的也就是这一段。,C段：当温度高于max后，陶瓷体的电阻又随温度上升而下降。,max与min之比值为PTC效应，通常希望PTC效应越大越好。通常居里温度高于120时，称为高温PTC材料；反之称为低温PTC材料。,31,V-I（伏-安）特性,额定电压VN击穿电压VD动作电流Ik,VN,Ik,VD,C,32,V-I（伏-安）特性,即加在两端电压与达到热平衡的稳定条件下电流之间的关系。段:在电压较低时（低于额定电压），电流随电压的升高而增大；,段:通常应用的也就是此段，电压继续升高，电流达到其动作电流Ik，PTC动作,电流随电压升高而下降。,C段:当电压上升至击穿电压D后，电流复而随电压上升而增大，这时，PTC易被击穿烧毁。,当环境温度下降，以及散热加快时，需要更大的动作电流，故V-I曲线会上移，如图中虚线所示。,33,It（电流-时间）特性,4,Ts,动作时间Ts残余电流Ir,Ir,I(1/2),34,It（电流-时间）特性,即在PTC上加额定电压后，流经PTC的电流将随时间延长而变化的关系。,在加上电压后的短时间（0-0.5秒）内，电流达到最大电流值（此时电阻为Rmin），随后PTC动作，电流逐渐下降，最后降至而稳定下来。,t曲线亦会随环境温度和散热条件的不同而变化。当环境温度下降，以及散热加快时，动作时间会延长，曲线上移，如图中虚线所示。,35,主要参数,额定零功率电阻R25最小电阻Rmin居里温度Tc电阻温度系数T动作电流Ik动作时间Ts不动作电流Ink最大电流（耐电流）Imax残余电流Ir最大工作电压（耐电压）Vmax额定电压VN击穿电压VD,36,主要参数定义,额定零功率电阻R25是指在25环境下零功率测量PTC热敏电阻值（零功率是指测量时加在PTC热敏电阻上的功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计）。最小电阻Rmin指PTC热敏电阻可以具有的最小的零功率电阻值，Rmin值小于R25。居里温度Tc对于PTC热敏电阻的应用来说，电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。居里温度通常指2倍Rmin所对应的温度值。,37,主要参数定义,温度系数T温度变化导致的电阻相对变化曲线斜率。温度系数越大，PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。一般取T1=Tc+15,T2=Tc+25T(%/)=(lnR2-lnR1)*100/(T2-T1)表面温度Tsurf指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时，PTC热敏电阻表面的温度。不动作电流Ink流过PTC热敏电阻的电流，不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动作电流.,38,主要参数定义,动作电流Ik流过PTC热敏电阻的电流,足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流。动作电流的最小值称为最小动作电流。Ik=2Ink以上动作时间Ts环境25条件下,给PTC热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流),通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间.最大电流Imax是指PTC热敏电阻最高的电流承受能力。超过最大电流时PTC热敏电阻将会失效。,39,主要参数定义,残余电流Ir残余电流是在最大工作电压Vmax下，热平衡状态下的电流。最大工作电压Vmax规定的环境温度下，允许持续地保持在PTC热敏电阻上最高的电压。对同一产品而言，环境温度越高，最大工作电压值越低。通常Vmax=VN*1.151.2额定电压VN额定电压是指最佳供电电压，小于最大工作电压。击穿电压VD击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力。PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。,40,PPTC热敏电阻与CPTC热敏电阻比较（性能）,41,与PPTC热敏电阻比较（用途）,备注：此为一般情况下,42,应用-过流过载保护原理,当电路处于正常状态时，通过PTC热敏电阻器的电流小于额定电流，PTC热敏电阻器处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常工作。当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，PTC热敏电阻器陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对“断开”状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，PTC热敏电阻器亦自动恢复至低阻态，电路恢复正常工作。,43,应用-三种常见过流过载保护,RL1为正常工作时的负载曲线，当负载阻值减少，如变压器线路短路，电流急增，负载曲线由RL1变为RL2，超过B点，PTC热敏电阻器进入保护状态；,1、电流过载,（负载曲线）,44,应用-三种常见过流过载保护,电源电压增加，如220V电源线突然升到380V，导致电流增加，负载曲线由RL1变为RL2，超过B点，PTC热敏电阻器进入保护状态;,2、电压过载,（负载曲线）,45,应用-三种常见过流过载保护,当环境温度升高超过居里温度以上，PTC热敏电阻器伏-安特性曲线由A-B-E变成A-B1-F，负载曲线RL超过B1点，PTC热敏电阻器进入保护状态；,3、温度过载,（负载曲线）,46,应用-三种常见过流过载保护,应用实例,47,应用-三种常见过流过载保护,选型参数/指南：1.额定电阻值R252.不动作电流Ink3.动作电流Ik4.最大工作电压Vmax5.最大工作电流Imax6.居里温度Tc（高于环境温度2040）7.外形尺寸8.使用环境温度（温度越低，动作电流越大）,48,应用-过流过载保护,随着通讯设备技术的不断进步，对交换机、配线架和用户设备的保护要求也大大提高了。用PTC热敏电阻器保护电话线路，主要针对以下原因引起的过电流现象：直接雷击或邻近电话线路设备的雷击引起的浪涌电流；邻近的电力线路或者铁路系统故障时引起的交流感应电压；电话线路与电力线路搭接。,通讯设备交换机/配线架,49,应用-过流过载保护,通常一根电话线串联一只PTC，如有初级保护（一般为气体放电管），PTC耐电压在300V左右就够了，如没有初级保护，PTC耐电压需在600V以上。,通讯设备交换机/配线架应用实例,初级保护,二级保护,电话机,电话机,50,应用-过流过载保护,1.额定零功率电阻值R252.不动作特性40260VDC通最大Ink持续60min，测试过程自身电阻变化率R/R2550%；（R=R-R25）3.过流动作特性4.耐工频电压能力265Vrms，通Imax30min，恢复4H后变化率R/R2520%；5.耐工频电流能力电压220Vrms，通Imax，通60S，断600S，循环20次，恢复4H后变化率R/R2520%；,通讯设备交换机/配线架应用参数及测试要求,51,应用-过流过载保护,6.耐冲击电流能力短路电流波形10/1000s，最小开路电压1.0KV，短路电流峰值25A，间隔时间3min，循环30次，恢复4H变化率R/R2520%；7.耐感应电压能力（耐压600V以上需测试）电压600/650Vrms，起始电流1.1A，通电2S，断电600S，循环10次，恢复4H后变化率R/R2520%）；8.恢复时间220Vrms1.0A，动作一次恢复至2倍零功率电阻值所需时间60S；9.电源电压250Vrms，起始电流10A；电源电压600Vrms，起始电流15A；电源电压650Vrms，起始电流10A。通电时间30min,允许开路或高阻态,不允许出现低阻态或开裂。,通讯设备交换机/配线架应用参数及测试要求,52,应用-过热保护原理,利用PTC热敏电阻器在居里温度以上电阻值陡然升高的特性来达到过热保护目的。当环境温度异常升高时，装有PTC热敏电阻器的保护线路通过由低阻值急剧增长至高阻值的改变，从而接通或断开回路，达到保护组件目的。,53,应用-过热保护,应用实例,如图在正常环境温度下，PTC热敏电阻器阻值Rp+R1混合,=湿法球磨,=预烧结(干燥),=造粒,=成型,=烧结,=上电极,=电阻初分选,=钎焊,=封装装配,=打标,=电阻分选,=性能测试,=最终检查,=包装,68,生产工艺,a)配料/混合目前，国内外绝大部分厂家均采用固相合成法工艺。所用的原料有BaCO3、SrCO3、Pb3O4、TiO2、Nb2O5、MnCO3、SiO2等粉体，纯度一般应在99.5以上。原料的纯度、所含杂质的种类及含量、原料的化学活性等等都对PTC最终产品的性能产生非常大的影响。配料的精度也对产品性能产生极大