2012 四月

热敏电阻保护电源输入

可靠的限制电流浪涌

可选用多种爱普科斯(EPCOS)陶瓷负温度系数热敏电阻和正温度系数热敏电阻保护电流输入,防止其受到过多的冲击和浪涌电流。这些零件具有高可靠性,同时在设计上只需要很少的额外设计。

各种电源中均采用了高容量电容器,用来对整流后的直流电压进行平滑滤波。如果在启动时放电,便会产生短路现象,对整流器和电源线造成影响。一些电感性负载,如大型变压器或发动机等,也会产生过高的冲击电流。最坏情况是极高冲击电流可能损坏整流器或熔断电源保险丝。

针对上述问题,爱普科斯负温度系数热敏电阻或正温度系数热敏电阻可提供经济可靠的解决方案。负温度系数热敏电阻可用作冲击电流限制器(ICL),尤其适用于输出功率100W以下的电源。图1为带冲击电流限制器的电源输入的电路简图。

图1:带ICL的电源输入
爱普科斯(EPCOS) 冲击电流限制器可在启动时限制电流,防止熔断保险丝或损坏整流器。

基于负温度系数的陶瓷冲击电流限制器具有负温度系数热敏电阻的基本特性——电阻可随温度的变化而改变。当温度上升时,电阻随之下降。温度为25°C时,这种电阻具有相对较高的启动电阻值(1至120Ω),只允许低电流流入负载。这些电流将逐渐提高NTC电阻器的温度,NTC电阻器的温度升高会导致其电阻下降,因此流入的电流会越来越高,直到抵达负载规定的额定值。通过此方法,可以始终确保负载的安全和平稳启动(见图2)。一般来说,冲击电流限制器在此阶段中会加热到比环境温度高10至30 K。

图2:电流与时间的关系图
图中可以明显看到,使用爱普科斯(EPCOS)冲击电流限制器(绿色)可以有效限制冲击电流。

爱普科斯冲击电流限制器在导通状态具有极低的电阻,其电力损失也相应较低(使用低功率和中等功率设备时),同时,对于设备整体效率的影响几乎可以忽略不计。而对于大功率的设备,可以在ICL上并联一个继电器,当达到设备的额定正常工作电流后,用来旁路ICL上的电流。


冲击电流限制器的选择标准
选择合适的冲击电流限制器时,关键要注意以下几项数据:

  • 确定冲击电流限制器最低定额的负载电容;
  • 最高连续电流和最高环境温度(直到启动阶段后对冲击电流限制器进行旁路);
  • 温度为25°C时要求的冲击电流的减少值。

器件额定参数的重要指标是最高连续电流不得超过冲击电流限制器的最高允许电流(Imax)。图3显示了爱普科斯冲击电流限制器在不同电流和温度时的降额特性。

图3:爱普科斯冲击电流限制器的降额特性

S153至S464型的冲击电流限制器,以及S237型的冲击电流限制器的最高电流均可利用以下公式的温度函数来计算:

保护电感负载的负温度系数冲击电流限制器(NTC ICLs)
一些电感性负载也会产生非常高的冲击电流,并导致以上提及的不利结果。这些负载包括带有低启动负载(如压缩机、泵、大型真空清洁器以及传送带驱动等)的高定额变压器或发动机。下面以变压器为例说明如何用负温度系数冲击电流限制器进行定额:

输出功率:1.0 kVA

测量的冲击电流:350 A

输入电压和公差:交流110V ±10%(交流99至121V) 

频率:60 Hz

效率 (η): 70 %

由输出功率、效率和最低电源电压得出的最大连续电流:

计算启动时的最大能量时,必须计算变压器的阻抗(Z)和电感(L):

然后,可以使用公式E = 0.5 × Z ×I2来计算负温度系数冲击电流限制器的最大能量:

爱普科斯B57364S2109A002冲击电流限制器可满足要求的规格:它可以吸收70 J的热量,设计可处理16 A的连续电流,温度范围介于0至65°C之间。

正温度系数热敏电阻防短路
除冲击电流外,另一个危险表现在连续电流过高或设备的短路。通常,该风险主要来自有缺陷的回路电容器或功率半导体器件。而通过串联爱普科斯正温度系数热敏电阻(如图4),便可以消除上述风险源。与负温度系数冲击电流限制器不同,正温度系数热敏电阻拥有正温度特性,即在常温下的电阻较低。电流增加将逐渐使正温度系数热敏电阻的温度升高,使其进入高电阻状态,从而限制电流。这些陶瓷零件就像自动复位保险丝:一旦电流浪涌退去,电阻器的温度将降低,PTC ICL就恢复到低电阻导电状态。

图4:爱普科斯正温度系数热敏电阻ICLs

两种类型的爱普科斯正温度系数热敏电阻作为冲击电流限制器为电容器充电。

为正温度系数冲击电流限制器(PTC ICLs)定额
可施加在零件上的最大能量,由正温度系数冲击电流限制器的热容量和保持导电性的最高容许温度之间的乘积确定。可通过以下公式计算:

如需保护大负载,则必须使用并联和/或串联方式连接正温度系数冲击电流限制器。所要求的零件数量计算如下:

在以上两个公式中:
C:链路电容器的电容量(单位:法拉);
Cth:正温度系数热敏电阻的热容量(单位:J/K);
EPTC:正温度系数热敏电阻进入高电阻状态之前可向其提供的最大能量;
N:需要的零件数量;
TA, max:正温度系数热敏电阻的最高环境温度;
Tref:正温度系数热敏电阻的参考温度(单位:°C);
V:电容器充电电压的峰值。

T由于具有阶越特性,爱普科斯正温度系数热敏电阻还可用来测量限制温度。这种用途的正温度系数热敏电阻具有SMD封装(尺寸包括0805、0603和0402)。其中B59721A*系列(外壳尺寸0805)可以响应70至130°C的温度,并以10 K递增。其额定电阻为680Ω。B59641A*(0603)以及B59421A*(0402)系列的响应温度分别为75至145°C和75至135°C,递增幅度同样为10K。它们的额定电阻为470Ω。所有类型的最大容许操作电压均为直流32 V。

由于安装在电源中温度较高的位置,这些零件可以配合风扇控制器使用,以避免出现临界温度。

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