常用电子元器件基础知识

TVS管,放电管,压敏电阻,自恢复保险丝

保险丝与自恢复保险丝选择与应用指南

  是选用保险丝还是选用自恢复保险丝,这个问题往往见仁见智,尽管在常见应用领域中有时由于某些重要的考虑因素,使用其中一种可能比使用另一种更好。 例如,电脑、周边设备以及便携设备(如智能手机、平板电脑等)的很多设计都要求使用自恢复保险丝,其原因在于自恢复保险丝可以自行复位。如果使用保险丝,则每次发生过流都必须进行更换,这是用户无法接受的。 在另外一些情况下,使用保险丝可能会更好,因为保险丝在故障条件下能够完全切断电流。这在需要优先考虑安全性或者避免损坏下游电路设备的情况下可能是更理想的选择。 使用保险丝对于故障诊断也非常有用,它能够帮助设备的设计者和用户查找过流故障的根源。

  1、过流电路保护

  面临提供过流保护的课题,电路设计师对使用的技术具有选择权。 传统保险丝和基于聚合体的自恢复保险丝(正温度系数)装置是最常规的解决方案。 若能对这两种元件之间的差异有所了解,就能够简化选择最佳应用保护装置的过程。

  保险丝一直被看作是个“一次性”的装置,因为发生过载情况时,保险丝就会一次性熔断,从而提供过流保护,之后就得更换。 常规保险丝的核心部分是一段导线,当电流过大时,导线就会被加热至熔点。 导线熔断后,电路中电流便下降为零。

  自恢复保险丝同样可以对过大电流做出反应,但它是一种“自恢复”装置。 基于聚合体的组件在过载消失后可自动重置,可实现多次过流电路保护。 当导电聚合体受到过载电流加热时,其电阻将会增大,从而限制了电路电流。

  2、自恢复保险丝保护功能

  保险丝工作原理的著述多年来早已汗牛充栋,一般来讲,人们对此已经烂熟于心。 而对自恢复保险丝的过流电路保护实际过程,人们尚不明晰,其优越性还待进一步探讨。 目前为止,大家认为自恢复保险丝是基于聚合物的自恢复装置,可以限制电流。

  这里探讨的自恢复保险丝是以导电聚合物为基础材料的产品。 所用聚合物材料包含很多充当传导媒介的炭黑粒子。 通过调节混合物中炭黑含量调节电阻大小。 热会造成聚合体膨胀,使炭黑移动,导致导电能力下降或电阻上升。

  自恢复保险丝的作用原理是将具有潜在危害的过载电流限制在安全范围内。 具体而言就是:通过装置的过大电流会导致内部热量增加(I2R) ,由此造成自恢复保险丝的升温,导致其电阻增加。 在出现过热情况前,自恢复保险丝电阻通常只占电路总阻抗很小一部分。 如下图所示,聚合体自恢复保险丝的电阻增大具有非线性特征,这样的相对较大的电阻会将电路中的电流降低或限制在安全的范围内。 从低电阻到高电阻的转变点称之为“跳变点”。

  通过较高电阻的受限电流产生的热量将使自恢复保险丝的温度维持在一个高水平,从而造成电阻居高不下。 该热平衡条件会始终保持,直到电路掉电,自恢复保险丝逐渐降温,阻值变小。 自恢复保险丝具有自恢复功能的基本作用原理是温度升高会导致电阻增加,反之亦然。 自恢复保险丝是通过从电路中去除电源,从而使装置温度降低而实现自恢复或返回低阻状态的。 在这之后,该组件就可随时对未来过载做出响应。 如果过流问题的根源被排除,电阻就会保持低阻态;但再次出现过流时,装置将再次转换至高阻态。

  3、在自恢复保险丝和保险丝间进行选择

  使用传统保险丝或是使用最新研发的自恢复自恢复保险丝都可以实现过流电路保护。 两者都是通过对电路中过量电流产生的发热现象做出反应从而实现保护功能。 保险丝是靠熔断来断开电流的,而自恢复保险丝则是依赖从低阻态变为高阻态来限制电流的大小。 充分理解两种装置的性能差异会使您在选择最佳电路保护方案时做出更轻松的选择。

  两者最大区别在于自恢复保险丝可以自恢复。 过载后一般的自恢复步骤是切断电源而使装置降温。 两种产品还有其他一些操作特性上的差别。 自恢复保险丝所用术语通常与保险丝所用术语类似,但并不完全一致。 比如泄漏电流和分断额定值两个参数便属于此类情况。

  泄漏电流:过载时,自恢复保险丝由低阻态变为高阻态通常称之为“跳脱”。 将电流限制在某个泄漏水平,从而达到保护的目的。 泄漏电流可从额定电压下的一百毫安左右升高到在较低电压下的几百毫安不等。 但是,对于保险丝而言,过载时,保险丝熔断使电流彻底切断,断开的电路产生的泄漏电流为“0” 。

  分断电流:自恢复保险丝在额定电压下规定的最大短路电流。 该故障电流为装置可承受的最大电流,而自恢复保险丝一般不会实际切断电流(请参阅上文“泄漏电流”。) 标准自恢复保险丝短路额定电流为40A。 而保险丝为响应过载,却要实实在在将电流切断。在额定电压下额定分断电流范围较大,从数百安培到10,000 安培不等。

  额定电压:常规自恢复保险丝的额定电压不超过60V,但保险丝的额定电压可达到600V。 额定电流:自恢复保险丝额定工作电流可达11A,但保险丝最大额定工作电流则可能超过20A。

  额定温度:自恢复保险丝的常规温度上限一般为85°,而保险丝的最大工作温度为125°C。 这两种装置在高于20°C的环境下工作时额定温度都得下调,文献中给出了相关的代表性曲线。

  机构认证:自恢复保险丝已通过Underwriters Laboratories, Inc.的组件项目认证,符合UL热敏电阻标准1434。 该装置还通过了CSA元件验收项目认证。 由于通过了TUV、VDE等认证,自恢复保险丝可以说还达到了IEC 标准 730-1(自动电子控制)。保险丝的认证包括Underwriters Laboratories公司元件项目认证、CSA的元件验收项目。 除此之外,许多保险丝还可根据新的保险丝增补标准UL 248-14提供完整的“Listing”认证。

  电阻:从产品规格中可以发现,在额定值相似的情况下,自恢复保险丝的电阻是保险丝的两倍(有时更高)。 时间-电流特性:通过比较自恢复保险丝和保险丝的时间-电流曲线可以发现,自恢复保险丝响应时间与Slo-Blo®保险丝的时延相当。

  过流保护应用

  自恢复保险丝材料有径向引线封装和表面贴装两种可选类型。 自恢复自恢复保险丝的功能适于多种设计应用。

  “即插即用”型应用包括主板和可与电脑端口频繁连接或断开的诸多周边设备。 鼠标、键盘、音频、网络、显示器及USB端口连接的设备有可能出现故障,连接线缆可能会损坏,也可能出现错误连接。 因此,能够在校正错误连接之后进行重置的功能尤其具有吸引力。 这些应用中有一部分采用了径向引线型器件,其他则更适宜使用表面贴装型器件。

  当电源设备因故障而产生过高电压并进而引发过电流现象时,自恢复保险丝可保护硬盘驱动器免受其损害。 硬盘驱动器应用通常使用表面贴装型自恢复保险丝。

  电源设备易受电路故障的损害。 如不采取保护措施,电源设备提供的电流可能会造成低电阻故障。 当存在多个负载或多条电路时,可使用独立的自恢复保险丝保护每个负载。 该装置通常置于输出电路中,可采用径向引线型或表面贴装型封装。

  电机过电流产生的高温会对绕组绝缘造成损害,对于小型电机,甚至会造成直径极小的绕阻线发生故障。 而自恢复保险丝在正常启动电流下通常不会跳闸。 电机一般使用径向引线型自恢复保险丝提供保护。

  变压器可能会受到由电路故障产生的过电流损害,自恢复保险丝的限流功能可对其提供保护。 可将自恢复保险丝置于变压器的负载端,从而将电路故障产生的影响降至最低。 很多应用均采用径向引线型或表面贴装型器件。

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