本文主要介绍防浪涌电路中的元器件之PTC以及一些常用的电路。

 

1、概述:

 

防浪涌电路中的元器件主要有气体放电管、压敏电阻、TVS管、TSS管、PTC、保险管、熔断器、空气开关、还有电感、电阻、电容等。

 

浪涌测试在EMC测试中属于共模传导性抗扰度的范畴，可以参考之前的文章《EMC 测试实质之共模传导性抗扰度》。

 

本文我们来详细分析PTC的工作原理。

 

PTC(Positive Temperature Coefficient)为正温度系数的热敏电阻，有时也被叫做自恢复保险丝。

 

其原理符合如下所示：

和NTC（Negative  Temperature Coefficient）相对，温度越高，电阻越高。温度越低，电阻越低。

 

其基本工作原理如下：

 

电路正常工作时，PTC像普通电阻一样，保持低电阻状态，一旦有异常电流出现，PTC温度上升，电阻急剧增加，从而起到限流保护作用。

 

在了解PTC的详细特性之前， 我们先了解一个概念，那就是居里温度。

 

居里温度（C.P.）即阻值为25°C时的阻值的两倍时所对应的温度，如下图所示：

室温至居里点的范围内，电阻值稍有降低但基本维持一定。当环境温度超过居里点，电阻值几乎呈阶跃性的增加。

 

居里点（C.P.）有多种类型，如下图所示：

环境温度超过居里点后，若仍然持续上升，PTC将失去正的温度特性，阻值降低。阻值开始下降的点被称为TN点。

因此，PTC热敏电阻的额定值被设计为不得超过TN点。

 

如下图所示为某系列PTC的R-T特性曲线：

陶瓷PTC的主要材料是钛酸钡（BaTiO3），当添加少量添加少量稀土元素（ Y、Bi、Sb等）时，其温度特性与居里点相对应，如下图所示：

 

在居里温度前后，晶体结会构发生改变。

 

低于居里温度时为四方晶体结构，其中存在电偶极子。

 

温度高于居里温度时变为立方晶体，电偶极子消失。

 

陶瓷晶粒之间的边界称为“晶界”。氧离子被限制在晶界处，阻碍电子的流动。

 

以下是陶瓷PTC在扫描电子显微镜下的图片：

 

在居里温度以下，电偶极子电抵消氧离子，电子可以自由移动。在居里温度以上，电偶极子消失，氧离子阻碍电子移动，电阻值上升。

 

以下表格描述的是BaTiO3和PTC的电阻温度特性：

这种特性就造就了PTC的独特特征，晶界电阻在较低温度下保持稳定。然而，当器件温度升高时，晶界的电阻会上升。

以上是PTC的一些基本特性，下面讲一些PTC相关的电气特性和电气参数。

 

伏安特性：

 

TC热敏电阻的I-V特性如下图所示：

​施加电压使得电阻的内部发热和向外的散热达到平衡状态时，外加电压和稳定电流之间关系建立。

 

恒电阻区域内V = IR关系成立，PTC热敏电阻无自发热。如图所示PTC热敏电阻还拥有最大电流点和恒功率区域两个参数。

 

PTC的伏安特性和R-T曲线的对应关系如下：

 

PTC器件的温度达到居里温度后，PTC电流会随着施加电压的增加而减小，该区域称为跳闸状态，超过电流最大值也通常被称为“跳闸”。

 

其伏安特性，也取决于其散热情况和环境温度，如下图所示：

 

器件散热条件好的，对应跳闸电流也大，环境温度越低，跳闸电流越大。

 

除散热条件和环境温度之外，还可以通过初始电阻值、居里点，来进行合适的选型，如下图所示：

若流经PTC热敏电阻的电流小于跳闸电流，如下图所示，在负载曲线a与PTC热敏电阻的伏安特性曲线交点A处稳定，作为简单的定值电阻工作。

​若流经PTC热敏电阻大于跳闸电流，在负载曲线b与伏安特性曲线的交点B处稳定。

 

也就是说，当大于跳闸电流的电流通过电路时，PTC热敏电阻的阻值增大，将电路电流衰减到小于跳闸电流的值，从而保护电源和负载。

 

PTC热敏电阻的跳闸电流因环境温度、阻值、温度特性、形状等因素而异。

 

如下图所示，跳闸电流上限以上的电流区域称为跳闸电流区域，下限以下的电流范围称为保持电流区域，上下限之间的电流区域称为保护电流变动范围。

如果电路电流小于保持电流，PTC热敏电阻作为一个简单的固定电阻工作，但当电流大于跳闸电流时，电阻值增加以执行保护操作。

 

保护电流变动范围的计算步骤如下：

 

根据能量守恒定律，电能=热能，

常常根据这个值来计算其它温度下的跳闸电流。其计算步骤如下：

 

同一元件的D和R相同，将Ia与环境温度为25°C时的跳闸电流相比，

若居里点为120°C，在环境温度条件为60°C及−10°C时，分别计算得出 :

​

电流-时间特性：

 

在分析电流时间特性时，先解释几个名词，即突入电流、动作时间和保持电流。

 

突入电流，在启动电子设备开关电源后，短时间内流过的超过额定电流值的大电流。

 

动作时间，是指突入电流降至1/2所花费的时间，如下图所示。

保持电流，是指电流电压特性中，是指在不提高电阻（动作）的情况下能够流过的电流值。

 

PTC的时间电流特性表示施加的电压在电流最大点右侧时，内部发热与向外散热达到平衡状态之前的电流与时间的关系，如下图所示：

 

随着施加电压（电流）的增加，瞬时功耗增加，达到热平衡所需的时间缩短。

 

当可将PTC器件带入跳闸状态的突入电流通过PTC 器件时，PTC将立即抑制电流。

 

如下图所示电流-时间特性说明 了电流抑制动作，此动作时间取决于突入电流值和环境温度。

 

具体而言，当施加较大突入电流或环境温度设置较高时，工作时间会较短。

 

因为PTC器件的预热速度也随着电流的等级而提高，而且，跳闸时间会随着环境温度、单个PTC电阻值和PTC器件尺寸而变化。

 

下图显示，跳闸动作时间和单个PTC的电阻值相关，电阻越大，跳闸时间越短，因为W=I2R，电阻越大，发热越多，升温越快：

下图显示，单个PTC跳闸动作时间取决于环境温度，例如型号为PRG21BC3R3MM1RA的PTC：

 

PTC的特性：

 

陶瓷PTC具有源自电子特性的陶瓷晶界的电阻变化而引起的耐温特性。

 

陶瓷PTC的特性表明，当PTC重复地从跳闸状态返回初始状态时电阻不会发生变化。

 

因此，PTC器件在焊接和开关负载测试后的电阻变化很小，这个特性特性确保了电路的可靠性，这也是衡量不同品牌PTC可靠性的重要指标。

 

如下为村田和其它品牌的PTC器件的对比：

除了以上PTC的电气特性和特征，我们在也常规PTC的数据手册中还有一些参数需要我们识别，下面我们将以某一品牌的PTC对一些重要参数进行介绍：

​

最大电压（Maximum voltage）：工作温度范围内可以对PTC热敏电阻持续施加的电压最大值。

 

测试方法为，在25℃的静止空气中持续施加三分钟也能承受的电压为耐电压。施加方式采用从0V开始，渐进上升至耐电压的上升方法。

 

最大保持电流（Maximum holding current ）Int ：指在不提高电阻（动作）的情况下能够流过的最大的电流值。

 

R25：PTC 在25℃下的正常电阻。

 

最大过载电流（Maximum overload current）Iol：PTC从低电阻区过渡到高电阻区所能流过的最大电流。

 

从图中可以看出，低于额定电压时，最大过载电流越大。

热耗散常数（DISSIP. FACTOR）：在热平衡状态下，热敏电阻在自发热影响下温度提高 1°C 所需的功率。

 

以上是对PTC基本参数和功能的概述，下面我们来分析PTC在使用上的注意事项。

 

2、PTC 使用时的注意事项：

 

PTC 是一种限流保护器件｡ 其电阻值可以随通过PTC电流的增大而发生急剧变化，一 般串联于线上用做过流保护｡ 

 

当外部线缆引入过电流时, PTC自身阻抗迅速增大, 起到限流保护的作用｡

 

PTC反应速度较慢, 一般在毫秒级以上, 因此它的非线性电阻特性在雷击过电流通过时基本发挥不了作用, 只能按它的常态电阻来估算它的限流作用｡ 

 

热敏电阻的作用更多体现在诸如电力线碰触等出现长时间过流保护的场合, 常用于电源线路的保护中｡

 

PTC失效时为开路｡ 目前, PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC两种｡ 

 

其中陶瓷PTC的过电压耐受能力比高分子材料PTC的好｡ PTC用于单板上防护电路的最前级时, 采用陶瓷PTC较好｡

 

在进行PTC期间选型时，我们一般重点关注以下几个重要参数：

 

最大电压。

 

正常工作下的电流

 

异常状态下电流是否符合PTC的规格

 

如果只是想知道PTC该如何选型，其实看下面一张图就完全可以了：

​

保持电流和跳闸电流取决于温度，电流值随着温度升高而降低。

 

保持电流指在正常工作中可以流动的最大电流值。而且，跳闸电流指PTC器件移动到高电阻状态所需的最小电流值。

 

保持电流值和跳闸电流值之间的差别用灰色表示。此区域表明PTC器件可以跳闸或正常工作。

 

​当使用PTC器件设计电路时，首先请检查PTC器件的保持电流是否与产品的正常工作电流等级相匹配。

通过以上分析，我们可以选四个，如果需要，如果想对保持电流降额比较大，也可以选第二个。

 

在使用时要注意，PTC周围常常有热源，这就导致PTC的器件温度高于大气温度，在这样的情况下，我们可以将“实际PTC温度”视为“环境温度”。

另外，如果保持电流不符合正常电流值，则可以并联使用2个PTC器件来解决。

 

但是要注意，PTC器件之间要保持一定的距离，否则，并联的2个PTC的等效保持电流将小于单个PTC保持电流的2倍。

 

下面的做的一些测试实验：

 

3、举例

 

PTC 较多应用于电源电路中的过流保护，有保险丝的作用。

 

PTC的应用广泛，可以应用到各行各业：

 

正常工作期间PTC电阻值稳定。而且，当过电流流向电路系统时，器件温度开始迅速升高，PTC电阻由于电流通过而呈指数增加。

 

只要向电路系统施加电压，电阻就保持较高数值。完全移除电源后，PTC电阻随着PTC温度的降低而开始下降，然后复位至初始状态。

 

由于陶瓷PTC中的非滞后特性，初始电阻和复位电阻之间几乎不变。

 

典型应用电路：

 

电路一：典型应用，电源限流保护

 

当负载短路时，PTC电流瞬速增大，电流被限制，保护了电源。

 

电路二：三极管保护电路

当三极管超过一定温度时，PTC电阻瞬速增大，三极管截止。

 

电路三：温度检测电路设计

此温度检测电路使用与正温度系数 (PTC) 热敏电阻串联的电阻器构成分压器，从而产生在温度范围内呈线性的输出电压。

 

此电路将同相配置中的运算放大器与反相参考配合使用来对信号进行偏置和放大，从而帮助利用整个 ADC 分辨率并提高测量精度。

 

详情可以去TI官网上搜索“ZHCA857B”来详细查看。

 

电路四：马达启动电路设计

 

在单相交流马达,PTC热敏电阻基本是串联在马达的启动线圈上，当马达启动时，PTC热敏电阻初始阻值低故提供足够的电流给辅助线圈以让马达正常启动。

 

当电流经PTC后，PTC自热且阻值迅速上升，使电流降低，即断开辅助线圈线路。

 

电路五：突波电流抑制作用

 

开关电源在启动瞬间通常伴随着极大的突波电流,使用PTC热敏电阻可以取代一般的固定电阻或NTC。

 

除实现突波电流抑制器功能外，也能确保继电器失效时，PTC在异常情况时仍可藉由升高的阻值特性截断过电流。

 

电路六：电信过载保护应用

 

PTC热敏电阻广泛的应用在电信设备中作为过电流保护组件，且通常搭配过电压保护组件，形成一个可恢复式过载保护电路以解决突波、电线搭接或感应等对电路产生的不良影响。

 

电路七：过载保护应用

 

PTC热敏电阻不但针对过电流会作动反应，也可针对过温度反应。

 

在电路中，PTC热敏电阻阻值上升不仅抑制电源消耗也会降低电流。

 

传统保险丝在熔断后无法自行恢复，但是PTC热敏电阻在一定的冷却时间后有自我恢复的功能。

 

电路八：温度传感应用

 

PTC热敏电阻安装于比较电路(如图16)的其中一支脚。PTC的电阻值Rp在正常温度低于Rs，所以比较器输出低电平。

 

异常温度发生时，PTC会很快发热达到开关温度，阻值会高于Rs ，比较器输出高电平。

 

 

PTC热敏电阻的阻值会随环境温度的变化呈现高阻态或低阻态，此时可以通过电阻值的明显变化来控制回路，进而达到电器组件不因过热而损坏的目的。

 

还有如下应用电路：

电路九：加热器应用

 

PTC热敏电阻可持续提供恒温，因而广泛应用于加热，如空调, 柴油发动机预热,门锁,热保护器….等设备的供给热源。

 

 

电路十：电子镇流器开关作用

                                                                                                                 

 

在整流线路启动时，PTC热敏电阻处于低电阻状态，灯管因电压不足而不会被点亮。

 

当电流流经阴极，热敏电阻的阻值迅速上升，电压也跟着增加，因而点亮灯管。

 

一旦灯管点亮，阴极需要高频(20~40 KHz )的电源，此时通过两个FET开关供给可以避免灯光闪烁。

 

点灯后，PTC直到灯管关闭之前都不再有什么功用，直至下一次的点灯才会再次发挥缓启动的功能。

 

PTC在电路中的应用数不胜数，在EMC中的应用就介绍到这里，此处只做抛砖引玉的作用，欢迎一起交流学习。

来源：电子工程师之家

关键词： EMC 防浪涌电路 PTC