用于家用电器的综合电路保护

2万 · 2011-6-27 09:01

综合型电路保护技术能够帮助复杂电器的设计人员达到安全标准的要求，减少元件数量，提高设备的可靠性。
　　家用电器和专业人员使用的电气设备中的电机、变压器和控制器，往往会遇到机械过载、过热、堵转、中线开路、电压严重过高、潮气以及其他会损坏设备的因素。新的聚合物正温度系数(PPTC)器件是针对电网电压为交流120 V和交流240 V的情况设计的，它帮助电器设计人员防止出现安全问题，防止出现火灾，并且降低由于电机不能工作造成产品保修期内回收和更换的成本。
　　控制电路板变得日益精密和复杂，保护这类电路板，防止因为连接出错、电压突然升高或者短路而造成损坏，是设备制造商极为关心的问题。电器中的变压器、变压器的机壳和连接部份能够承受较高的瞬变电压，但是，由于电路板上有容易损坏的固体器件，必须改善对电流过大、温度过高以及电压过高等问题的控制。
　　综合型过流保护和过压保护也能够帮助设计人员做到符合安全标准的要求，减少元件数量，并且提高设备的可靠性。在综合型电路保护技术中使用的金属氧化物变阻器(MOV)过压保护器件，与额定电压为电网电压的PPTC过流保护器件配合使用，能够帮助制造商做到符合IEC 61000-4-5标准(用于接到交流电网上的设备的全球性电压和电流测试标准)。

2万 · 2011-6-27 09:06

　　　　　图1　在制冰机电机(转子不转动)上用双金属片断路器进行试验的结果
　　　　

　　　图2　在制冰机电动机(转子不转动)上用PPTC保护器件进行试验的结果

2万 · 2011-6-27 09:33

各种过流电路保护技术的比较
　　保护电子电路防止电流过大或者温度过高而造成损坏，这是许多电路保护技术的主要功能。在过去，是用熔断器和可熔性连接线来实现这类保护，然而，在现在的电机应用系统中，最好是用PPTC器件、陶瓷PTC(CPTC)器件和双金属断路器这类可复器件来实现电路保护。
　　CPTC器件可以用来实现可复式保护，不过，由于它们的工作温度相对较高，电阻较大，尺寸较大，它们的应用会受到限制。CPTC器件的材料较脆，由于许多电器在使用时时常会遇到冲击、振动、由于忽冷忽热而产生的热应力，因而容易损坏。
　　双金属片断路器广泛地用于保护电机，但是它不能保持住断路状态，电流过大时，它的触点一直在交替地接通和断开，需要其他的动作来干预。双金属片是把两种不同的金属贴在一起。当双金属片上的电流超过它的额定值时，过大的电流产生的热量会使双金属片弯曲，因而一组触点变成开路，于是电流不能流过。一旦电流停止流过，温度下降，双金属片便回到它的正常状态，于是触点闭合，电流便会在它上面流过。在电动机停止转动时，双金属片断路器就会交替地接通和断开，直到把电源切断。
　　双金属片断路器的触点交替地接通和断开，这种情况有几个缺点，其中包括材料的疲劳，触点容易产生火花、熔化。如果它失效时触点是闭合的，电机和有关的电子电路会因为电流过大而烧坏。由于噪音或者颤动以及电磁干扰(EMI)，双金属片断路器不能用于高级的电子控制系统。
　　在泰科电子最近进行的测试中，对广泛使用的双金属片热保护器和泰科电子瑞侃PPTC电路保护器件PolySwitch LVR作了比较。一台制冰机的电动机上安装一种器件。这些保护器件是接在电机的绕组上，在进行测试时，把电机的轴固定住，不让它转动，记录绕组的电压、电流、温度，PPTC器件和双金属片保护器的温度。
　　图1和图2分别是用双金属片断器和PPTC保护器进行测试的结果。在用双金属片断路器进行测试时，电机绕组的温度在试验进行到60分钟时升高到129℃，比使用PPTC保护器件进行的试验高很多。使用PPTC保护器件，在试验进行60分钟时，电动机绕组的温度是44℃。

2万 · 2011-6-27 09:50

　　　　　　　　　图3　典型的PPTC器件在电机电路中的应用

2万 · 2011-6-27 10:23

用于电机的保护技术
　　在电流过大、温度过高时，使用PPTC器件的综合型保护，对间歇工作和连续工作的电机都是有利的。PPTC 保护器件的电阻小，与熔断器的尺寸相当。在出现故障时，PPTC保护器件和传统的熔断器一样，能够限制危险的大电流。不过，在故障排除之后，电路切断及重新接上电源时，PPTC器件恢复原来的状态。所以在把故障排除后，受保护的设备又能正常运作，不需要更换熔断器。
　　图3说明PPTC保护器件是如何安装在电机电路中，防止因为电流过大或者温度过高而损坏电机。保护器件是装在电机的机壳里面，它对电机中流过的电流作出反应，在出现故障时，如果温度上升，它也会作出反应。
　　PPTC器件与一次性使用的熔断器不同，在出现故障，由于电流略微上升引起温度上升的情况下，就能够保护电路─只要安装一个元件就能够在电流过大和温度过高时起保护作用。

2万 · 2011-6-27 10:35

用于交流电源的综合保护
　　各种小型台式电器，以至专业人员使用的烤箱，它们变得越来越复杂，功能越来越多，促使产业界把电路集成起来，缩小电路板的尺寸。保护那些容易损坏的电子元件，防止瞬变电压、短路、用户误用造成损坏，是制造商首要关心的事情。
　　在过去，控制电路板在设计中，在变压器原边或者副边往往没有过电流保护的措施，是依靠变压器把热量散发出去，在出现故障的情况下，防止对控制电路板造成损坏。不过，在电路板上的固体器件越来越多，这些固体器很容损坏，因而需要对电平加以限制。
　　在有闪电和打雷时，或者供电站切换负载的过瞬变过程会引起交流电网产生很大的瞬变电压或者瞬变功率，它加到电气设备上，有可能会造成损坏。IEC 61000-4-5是针对连接到交流电网上的设备进行电压和电流测试的全球标准。
　　装在交流电压输入端的过流和过压综合保护措施能够帮助设计人员达到安全标准的要求，并且减少元件的数量、降低成本。
　　　　　　

　　　　　　　图4　用于交流电压输入电路上的典型过压和过流综合保护措施

2万 · 2011-6-27 10:40

在图4中是如何把MOV和PPTC器件结合起来提高设备在苛刻的交流工作环境中的可靠性，达到IEC-61000测试标准的要求。
　　MOV器件能够承受很大的电流，吸收很大的能量，它的响应很快，成本又低，因而适合用作电源、控制电路板的变压器以及电机的过压保护。PPTC过流保护器件的额定工作电压是交流240 V，允许交流电压间歇地达到265 V，它可以和MOV器件一起，用于交流电压输入电路。
　　PPTC可复器件和一次性的电流熔断器不同，在出现故障时，只要电流略有上升而引起温度上升，就能保护电路，防止它们损坏。如果把PPTC 器件装在变压器的原边电路中，靠近发热元件的地方，例如靠近磁性元件、场效应晶体管(FET)，或者大功率电阻器，只需要一个PPTC器件，就能够防止电流过大和温度过高而造成损坏。
　　有些时候，由于电网过载，会使MOV器件处在箝位状态，这时电流继续在它上面流过，最终会导致MOV器件的温度过高而损坏。把PPTC 器件放在靠近MOV器件附近，在长时间过载的情况下，由于把热量传送到PPTC器件上，对于保护MOV器件是有利的。这样会引起PPTC器件较快地改变状态，限制MOV器件中的电流。然而，我们并不是直接靠PPTC器件来达到IEC 61000-4-5测试标准的要求。

只看该作者 · 2011-6-27 10:52

在使用PPTC器件时，设计人员可以充分利用它的温度响应，用它取代电路中的其他热保护器件。在这种情况下，PPTC器件起了两个作用，不仅如此，它还是一种可以恢复原来状态的办法。因为在故障排除以后，并把加在电路上的电源切断，器件会恢复原来的状态，一般不需要进行维护，不需要更换元件。这有利于降低保修费用和服务费用，提高客户的满意度。
　　在针对特殊的应用系统中选用的PPTC和MOV器件时，要按照IEC 61000-4-5标准中规定的设备额定电压，以及设备本身的工作状态。在选择PPTC器件时，主要考虑的问题是，在正常运作的情况下，PPTC器件的保持电流额定值要与电气设备变压器原边吸收的电流匹配。

2万 · 2011-6-27 11:14

用于LCD加热元件的保护技术
　　液晶显示器(LCD)在家用电器中得到广泛应用，但是温度变化对它的影响很大。这是因为LCD在低温下的性能很差，往住使用加热元件来提高它的温度，改善它的功能。一般的做法是，把加热元件的温度传感器连接到由微处理器进行控制的开关上，开关则控制着加热元件，当LCD的温度超过规定的范围时，就切断加热元件的电源。
　　这个方法的缺点在于，它是用同一个微控制器来进行过热控制和控制加热元件。所以，如果是由于微控制器出现故障或者其他控制元件出故障而丧失加热元件的控制功能，在高温的情况切断电源的功能也会丧失。如果这个控制电路出现故障，在加热元件中流过的电流会上升，导至发热失控。
　　安装一个PPTC器件，它是独立于加热元件控制器，就能够保护LCD和加热器控制电路，避免温度过高而造成损坏。如图5所示，PolySwitch　LVR器件一般是放在电源和加热器之间的连接线路中，它把LCD显示器上的热量传导出去。当LCD的温度达到某一个预定温度时，PPTC器件动作，它的状态改变了，发热元件中的电流便下降。
　　

　　　　　图5 在过热的情况下，PolySwitch器件因温度
　　　　　过高而改变状态，从而降低流到加热元件中的电流

1万 · 2011-6-27 11:30

　使用PPTC器件需要考虑的问题
　　在电路中使用PPTC 器件时，在设计方面要考虑的关键参数有PPTC器件的保持电流、触发电流、周围环境对器件性能的影响，器件的恢复时间、在触发到高阻状态时的漏电流，以及自动或者手动恢复的条件。
　　　　　　

　　　　　　　　　　　　图6 保持电流和触发电流随温度变化的例子

只看该作者 · 2011-6-27 13:32

路过学习。。。

2万 · 2011-6-27 13:36

保持电流和触发电流
　　图6是PPTC器件的保持电流和触发电流随着温度的变化。A区是PPTC器件触发并且对电路起保护作用的电流和温度。B区是PPTC器件可以让电路正常工作的电流和温度。在C区，PPTC器件有可能触发到高阻状态或者仍然处在低电阻状态，这决定于各个器件的电阻及周围的环境。
由于PPTC器件会因为温度过高而触发，在器件周围温度的任何变化都会影响它的性能。随着器件四周的温度上升，器件触发到高阻状态所需要的能量较少，因此保持电流(IHOLD)下降。陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的制造商提供了发热降额曲线和保持电流IHOLD随温度变化的数据，

2万 · 2011-6-27 16:59

环境条件对器件性能的影响
　　器件的传热环境对它的性能会有很大影响。一般地讲，提高器件的传热能力，相应地功耗、改变状态的触发时间和保持电流都会增大。如果把热量从器件中传导出去的能力下降，情况则相反。进一步讲，器件四周的热容量如果改变也会改变器件的触发时间。
　　PPTC器件的触发时间定义为出现故障电流到器件触到高阻状态所需要的时间。触发时间取决于故障电流的大小和周围的温度。
　　当热量散发到四周去的速度低于产生热量的速度时，PPTC 器件就会动作，改变状态。如果产生的热量大于散发出去的热量，器件的温度就会上升。温度上升的速度和器件改变状态所需要的总能量取决于故障电流和传热环境。
　　在正常的运作条件下，PPTC器件产生的热量和传给四周环境的热量是处于平衡状态。
　　I2R = U(T-TA)
式中：I=PPTC器件中流过的电流，R=PPTC器件的电阻，U=总传热系数，T=PPTC器件的温度，TA=环境温度。
　　不论是电流增大，环境温度上升，或者是两者兼有之，都会引起器件的温度达到某一个值，这时它的电阻会迅速增大。电阻的很大变化会引起PPTC器件中流过的电流下降，从而保护电路不致损坏。

2万 · 2011-6-27 17:18

保持电流是器件中能够一直地流过、而且不会从低阻状态转变到高阻状态的最大电流。保持电流可以按照传热环境精确地确定，在设计方面，在选择器件时，有许多因素会影响到它，其中包括PPTC器件的位置离热源(例如变压器)的靠近程度，这会降低保持电流、功耗和改变状态所需要的时间。
　　电器中用于按钮和键盘的静电放电保护
　　当使用人员按下开关时，用于控制电器设备的按钮和键盘可能会受到静电放电(ESD)的影响，因而损坏控制面板的内部电路。泰科电子的PESD器件常常用于把静电旁路掉，防止它对电子设备中容易损坏的电路造成损坏。PESD器件的电容极小，能够帮助制造商达到IEC1000-4-2测试标准的要求。这种器件的触发电压和箝位电压低于常见的聚合物静电放电(ESD)器件，因而能够更好地保护那些易受ESD影响的元件。