家用電器電動(dòng)機及變壓器的自復電路保護

　　　　保護家用電器和專(zhuān)業(yè)電器設備中使用的電動(dòng)機，防止因為機械負荷超載、過(guò)熱、失速或堵轉、中線(xiàn)脫落、電壓嚴重過(guò)載、潮濕和其他因素而造成損壞，是設備制造商極為關(guān)心的問(wèn)題。新一代PPTC(高分子聚合物正溫度系數)自復電路保護器是針對電源電壓為交流120V和240伏的產(chǎn)品而設計的，它能夠幫助家電設計師設計安全的產(chǎn)品，防止出現火災，并且減少產(chǎn)品由于電動(dòng)機或者變壓器出現故障而退回返修和更換電動(dòng)機的費用。

　　過(guò)流保護電路保護技術(shù)的比較

　　保護電子電路防止由于電流過(guò)載和過(guò)熱而造成損壞，是很多電路保護技術(shù)的主要功能。在過(guò)去，是用熔斷器或者可熔化的連接線(xiàn)來(lái)實(shí)現這種保護功能。但是，今天在使用電動(dòng)機的系統中，自復保護器，例如PPTC器件、陶瓷PTC的(CPTC)器件和雙金屬斷路器，是首選的電路保護方案。在出現故障后，這些器件通常不需要更換，在切斷電源以及/或者電流過(guò)載的根源排除之后，電路就可以恢復到正常的工作狀態(tài)。

　　CPTC器件的保護功能是可以自動(dòng)恢復的;不過(guò)，由于它們的工作溫度相對較高、電阻大、尺寸大, 它們的應用可能會(huì )受到限制。許多電器和使用電動(dòng)機的系統常常會(huì )受到?jīng)_擊、振動(dòng)、在高溫和低溫時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱應力，在這種情況下，由于CPTC器件的材料往往是脆性的，容易損壞。

　　傳統的雙金屬斷路器廣泛地用于保護電器中的電動(dòng)機，但是它們不能保持斷開(kāi)的狀態(tài)，需要另外采取措施，防止它們反復地接通和斷開(kāi)。雙金屬片是用兩種不同的金屬粘結在一起的。當電流超過(guò)雙金屬斷路器的額定電流時(shí)，過(guò)大的電流所產(chǎn)生的熱量會(huì )引起雙金屬片彎曲，因而引起一組觸點(diǎn)斷開(kāi)，將電流切斷。由于沒(méi)有電流流到電路中，雙金屬保護器會(huì )回到正常狀態(tài)，觸點(diǎn)接通，所以電流　恢復流動(dòng)。在電動(dòng)機堵止的情況下，雙金屬斷路器的觸點(diǎn)會(huì )一直反復地斷開(kāi)、閉合，一直到把電源切斷。

　　雙金屬斷路器會(huì )的觸點(diǎn)反復斷開(kāi)、閉合，這有幾個(gè)缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括材料疲勞，觸點(diǎn)容易損壞，產(chǎn)生火花或者觸點(diǎn)會(huì )熔化。如果雙金屬斷路器的觸點(diǎn)不能斷開(kāi)，過(guò)大的電流會(huì )損壞電動(dòng)機以及敏感的電子電路。由于可能存在噪音或者顫振和電磁干擾(EMI)，雙金屬斷路器不能用于先進(jìn)的電子控制系統。

　　間歇運行電動(dòng)機的保護技術(shù)

　　間歇運行的電動(dòng)機，例如攪拌器和食品加工設備中使用的電動(dòng)機，通常是工作一段有限的時(shí)間。一般地說(shuō)，如果這些產(chǎn)品工作的時(shí)間超過(guò)了設計的最高極限，通常會(huì )導致電動(dòng)機不轉動(dòng)、過(guò)熱，最終損壞。由于觸點(diǎn)出現故障或者使用者誤用，會(huì )導致故障，而電源卻仍然加在電動(dòng)機上。

　　為了防止過(guò)熱，使用的電路保護器的“動(dòng)作”必須很快，但是不要比原先打算的快，避免給使用者帶來(lái)厭煩。在設計方面的挑戰是要制定一個(gè)保護計劃，它能有效地保護電動(dòng)機，又不會(huì )出現令人感到厭煩的誤動(dòng)作。

　　在某些使用機械化設備中，一些電氣元件在啟動(dòng)時(shí)電流很大，電路保護器的滋擾性動(dòng)作往往與它有關(guān)。PPTC電路保護器的主要優(yōu)點(diǎn)是，為了避免滋擾性的動(dòng)作，可以指定一個(gè)動(dòng)作電流，它比電動(dòng)機正常工作時(shí)的電流低很多，但是它的動(dòng)作時(shí)間是系統工作周期的幾倍。

　　 圖1 PPTC保護器在電動(dòng)機電路中的典型應用

　　如圖1所示，PPTC保護器可以安裝在電動(dòng)機的電路中起保護作用，防止因為電流過(guò)大或者過(guò)熱而損壞電動(dòng)機。如果把這個(gè)器件裝在電動(dòng)機里面，它會(huì )對電動(dòng)機中流過(guò)的電流作出反應，也會(huì )對溫升作出反應，在出現故障時(shí)，溫度就會(huì )升高。

　　連續運行電動(dòng)機的保護技術(shù)

　　連續運行的電動(dòng)機，例如在電冰箱和空調設備使用的電動(dòng)機，都針對體積和成本進(jìn)行了優(yōu)化。因為它們還帶動(dòng)風(fēng)扇，有一部分氣流會(huì )在電動(dòng)機上流過(guò)，因而電動(dòng)機可以在發(fā)熱更多的情況下工作，否則是不可以的。因此，風(fēng)扇電動(dòng)機不轉動(dòng)時(shí)的電流一般只有運行電流的兩倍，相比之下，用在其他產(chǎn)品上時(shí)，一般是三到四倍。當風(fēng)扇不轉動(dòng)時(shí)，要求熔斷器會(huì )可靠地熔斷，而在電動(dòng)機接通電源時(shí)，它并不會(huì )熔斷──這是很討厭的。所以要找一個(gè)這樣的熔斷器，并且確定它的容量，就變得很復雜。

　　在討論間歇運作電動(dòng)機時(shí)，我們看到，PTCC器件在保護電動(dòng)機方面有明顯的優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)機的弱點(diǎn)隨著(zhù)溫度而改變，隨之改變PTCC器件的特性，可以反應慢一些──如果需要的話(huà)。

生產(chǎn)的組裝工藝。

在電動(dòng)機帶動(dòng)風(fēng)扇的情況下，由于有氣流流過(guò)，對PPTC器件和電動(dòng)機兩者都有益。用這個(gè)方法，PPTC器件的動(dòng)作電流將大幅度上升，這是因為有氣流，不會(huì )達到動(dòng)作的溫度。但是，不論是什么原因，如果風(fēng)扇不轉動(dòng)，于是沒(méi)有氣流，失去了氣流的冷卻作用，電動(dòng)機的溫度會(huì )很快上升。這種狀況會(huì )引起PPTC器件動(dòng)作，從低電阻狀態(tài)變成高電阻狀態(tài)，于是限制了流到電動(dòng)機的電流。

　　PPTC和一次性使用的熔斷器不同，在出現故障，電流略有上升就會(huì )引起溫度上升的情況下，它能夠防止動(dòng)電機損壞──只要一次性地安裝一個(gè)元件，就可以實(shí)現電流過(guò)載保護和過(guò)熱保護。

　　PPTC器件在應用設計方面的考慮

　　在把PPTC器件用到電路中去時(shí)，在設計方面要考慮的參數有：保持電流和動(dòng)作電流，環(huán)境對器件性能的影響，器件的自復時(shí)間，在進(jìn)入高電阻狀態(tài)后的泄漏電流，以及自動(dòng)恢復或手動(dòng)恢復的條件。

　　保持電流及動(dòng)作電流

　　圖2是PPTC保護器的保持電流和動(dòng)作電流隨溫度的變化。區域A是PPTC器件動(dòng)作，由低阻狀態(tài)變成高阻狀態(tài)，起電路保護作用的電流和溫度。區域B是電路可以處在正常工作狀態(tài)的PPTC器件電流和溫度。在區域C，PPTC器件有可能動(dòng)作、進(jìn)入高電阻狀態(tài)或者仍然處在低電阻狀態(tài)，這取決于具體器件的電阻及其環(huán)境。

　　 圖2　保持電流和動(dòng)作電流隨溫度的變化

　　由于PPTC器件會(huì )因為發(fā)熱而動(dòng)作，進(jìn)入高電阻狀態(tài)，器件周?chē)鷾囟鹊娜魏巫兓瘯?huì )影響PPTC器件的性能。隨著(zhù)PPTC器件周?chē)臏囟壬?，為了使它進(jìn)入高電阻狀態(tài)所需要的能量下降，因此保持電流(I保持)下降。陶瓷PTC以及高分子聚合物PTC制造廠(chǎng)商提供熱降額曲線(xiàn)和I保持隨溫度的變化，幫助設計師選擇適當的器件。

　　環(huán)境條件對器件性能的影響：

　　PPTC器件的傳熱環(huán)境會(huì )顯著(zhù)地影響它的性能。一般地說(shuō)，提高器件的傳熱性能，功耗、動(dòng)作時(shí)間和保持電流也會(huì )相應地增大。如果從器件的傳熱性能下降，情況則相反。此外，改變器件的熱容量，它的動(dòng)作時(shí)間會(huì )改變。

　　PPTC器件的動(dòng)作時(shí)間定義為，從出現故障電流開(kāi)始到器件進(jìn)入高電阻狀態(tài)所需要的時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間與故障電流的大小和環(huán)境溫度有關(guān)。

　　當熱量發(fā)散到四周環(huán)境的速度低于產(chǎn)生熱量的速度時(shí)，PPTC器件就會(huì )動(dòng)作，進(jìn)入高電阻狀態(tài)。如果產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)到四周環(huán)境的熱量，器件的溫度就會(huì )升高。溫度上升的速度和器件動(dòng)作進(jìn)入高電阻狀態(tài)所需要的總能量取決于故障電流和傳熱環(huán)境。

　　在正常工作的情況下，器件所產(chǎn)生的熱量和散發(fā)到四周的熱量是平衡的：

　　I2R = U(T-TA)

　　式中：I = 在器件中流過(guò)的電流，R = 器件的電阻，U = 總的熱傳導系數，T = 器件的溫度，TA = 環(huán)境溫度。

　　不論是電流增大或者環(huán)境溫度上升，還是電流和環(huán)境溫度兩者都上升，都會(huì )引起器件的溫度升高到某個(gè)數值，這時(shí)它的電阻迅速增大。由于電阻發(fā)生很大的變化，相應地引起電路中的電流下降，從而保護電路不會(huì )損壞。

　　保持電流是指器件無(wú)限期地保持低電阻狀態(tài)、不會(huì )從低電阻狀態(tài)進(jìn)入高電阻狀態(tài)的最大穩態(tài)電流。保持電流可以相當準確地由傳熱環(huán)境確定，設計時(shí)所作的選擇會(huì )影響保持電流的大小，其中包括把器件放在靠近發(fā)熱源的地方，例如變壓器，這樣會(huì )降低保持電流、功耗及動(dòng)作時(shí)間。

　　結語(yǔ)

　　PPTC器件的電阻小，從低電阻狀態(tài)進(jìn)入高電阻狀態(tài)的動(dòng)作過(guò)程很快，器件薄，能夠自動(dòng)恢復，這些特點(diǎn)可以幫助電路設計人員設計一個(gè)安全、可靠的產(chǎn)品，并且符合監管機構的要求。泰科電子公司的“PolySwitch”LVR器件可以廣泛用于家電設計，符合UL 1434標準和CSA標準，可以用于電視機，符合RoHS法規的要求，并且可以使用無(wú)鉛焊料和大批量