用自恢復(fù)PPTC器件提高電子設(shè)備的可靠性

保護(hù)電子電路免于電流過大或溫度過高而損壞是眾多電路保護(hù)技術(shù)的一個(gè)主要功能。在過去，電路保護(hù)一般是采用保險(xiǎn)絲或可熔斷的導(dǎo)線，但在當(dāng)前的應(yīng)用中，可恢復(fù)型的器件，例如聚合正溫度系數(shù)(PPTC)器件、陶瓷正溫度系數(shù)器件、雙金屬斷路器和恒溫開關(guān)已經(jīng)成為首選的解決方案。這些器件在發(fā)生故障后不需要進(jìn)行更換，并且能夠保證電源斷開或消除了過電流現(xiàn)象后，電路能夠恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。
PPTC器件是一種能夠限制電流的非線性熱敏電阻。在出現(xiàn)故障時(shí)，所有的正溫度系數(shù)器件均處于高阻值狀態(tài)，而且由于正常操作中仍可能導(dǎo)致在部分回路中存在危險(xiǎn)性的電壓，對(duì)于電路設(shè)計(jì)人員來說，重要的是要理解PPTC器件與保險(xiǎn)絲之間的區(qū)別。保險(xiǎn)絲屬于中斷電流的器件，當(dāng)保險(xiǎn)絲熔斷后，電路就會(huì)中斷，保險(xiǎn)絲必須進(jìn)行更換。而一旦PPTC器件發(fā)揮作用，仍然有很低的電流流經(jīng)器件。PPTC器件要求有一個(gè)較小的起到電阻性加熱作用的漏電流或外部熱源來維持器件的工作狀態(tài)。一旦故障消除或電源中斷，外部熱源消失后，器件將返回至低阻值狀態(tài)，所以不需要進(jìn)行更換。

是否需要熔斷
盡管可恢復(fù)器件本身具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但在某些情況下，保險(xiǎn)絲可能仍是電路保護(hù)的一種較佳的選擇。在恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)可能導(dǎo)致潛在的安全危險(xiǎn)或者在發(fā)生故障狀態(tài)后需要進(jìn)行設(shè)備維修的情況下，則適宜使用保險(xiǎn)絲或斷路器。例如，對(duì)于垃圾處理設(shè)備來說，可以推薦使用一次性的保險(xiǎn)絲。因?yàn)槿绻姍C(jī)突然恢復(fù)運(yùn)作，刀片可能會(huì)造成嚴(yán)重的傷害事故。另一方面，可恢復(fù)型的PPTC器件對(duì)于保護(hù)電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，是相當(dāng)合理的解決方案。在這種情況下，能夠迅速恢復(fù)運(yùn)行的能力是十分重要的。
如果對(duì)PPTC器件的可恢復(fù)性功能的性質(zhì)把握不當(dāng)，可能導(dǎo)致器件在電路中得不到適當(dāng)?shù)氖褂谩６绻O(shè)計(jì)人員在將PPTC器件與其它可恢復(fù)型器件，如陶瓷正溫度系數(shù)器件、雙金屬恒溫開關(guān)和按鈕式斷路器進(jìn)行比較時(shí)，有可能產(chǎn)生更多的混淆。表1說明了這些過電流保護(hù)器件的恢復(fù)方式。

PPTC器件在電路設(shè)計(jì)方面的考慮
PPTC器件可作為電路中的串聯(lián)元件。由于這些器件的外形較小，有助于節(jié)省寶貴的電路板空間。而且，與傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲要求用戶干預(yù)相反，這種可恢復(fù)的功能允許將器件布置在不能接觸到的位置上。由于這些器件屬于固態(tài)器件，所以還能夠承受機(jī)械沖擊和振動(dòng)，從而為多種應(yīng)用提供可靠的保護(hù)。
在電路設(shè)計(jì)中采用PPTC器件時(shí)需要考慮一些關(guān)鍵參數(shù)，這其中包括器件的保持電流和動(dòng)作電流、環(huán)境條件對(duì)器件的影響、器件的恢復(fù)時(shí)間和動(dòng)作狀態(tài)下的漏電流等。
圖2表明了PPTC器件的保持電流和動(dòng)作電流與溫度的函數(shù)關(guān)系。A區(qū)表示PPTC器件將要?jiǎng)幼鞑⒈Ｗo(hù)電路時(shí)的電流和溫度的各種組合。B區(qū)表示器件能夠保證電路正常運(yùn)行的電流和溫度的各種組合。在C區(qū)內(nèi)，器件既有可能動(dòng)作，也有可能保持在低阻值的狀態(tài)，這要取決于每個(gè)器件自身的阻值和所處的環(huán)境。
由于PPTC器件可以通過加熱的方式激活，所以在器件四周發(fā)生的任何溫度改變均可能影響到器件的性能。如果器件附近的溫度上升，則器件動(dòng)作所需要的能量較少，所以保持電流(I保持)下降。陶瓷和聚合體的正溫度系數(shù)(PTC)器件的制造商提供了有關(guān)的電流-溫度折減曲線與保持電流-溫度的數(shù)據(jù)表，以幫助設(shè)計(jì)人員選擇正確的器件。
器件的熱傳導(dǎo)環(huán)境對(duì)于器件的性能有著顯著的影響。一般來說，通過增加器件的熱傳導(dǎo)，器件的功率耗散、動(dòng)作時(shí)間和保持電流均會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的增加。而在器件的熱傳導(dǎo)減弱時(shí)，會(huì)發(fā)生與此相反的情況。此外，改變器件周圍的熱容也會(huì)改變器件的動(dòng)作時(shí)間。
PPTC器件的動(dòng)作時(shí)間定義為從故障電流開始出現(xiàn)至器件動(dòng)作進(jìn)入高阻值狀態(tài)所需要的時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間取決于如圖2所示的故障電流的大小，以及環(huán)境溫度。
在熱量散失到環(huán)境中的速度小于熱量產(chǎn)生的速度時(shí)，即發(fā)生動(dòng)作。如果產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，則器件的溫度增加。溫度上升的速度以及致使器件動(dòng)作所需的總能量取決于故障電流和傳熱環(huán)境。
電流的增加或環(huán)境溫度的上升將改變器件溫度，導(dǎo)致阻值迅速提高。這種阻值上的大幅改變?cè)斐呻娐分须娏鞯南鄳?yīng)下降，從而保護(hù)電路免遭損壞。

結(jié)語(yǔ)
PPTC器件的低阻值、動(dòng)作時(shí)間短和外形小巧的特點(diǎn)有助于提高在較小的器件安裝面積下電子電路的穩(wěn)定性。對(duì)器件可恢復(fù)功能的準(zhǔn)確把握，有助于電路設(shè)計(jì)人員確定和應(yīng)用PPTC器件，從而達(dá)到最好的運(yùn)行性能，并降低保修、維護(hù)和修理方面的成本。■