一種微電機(jī)過熱過電流保護(hù)新方法
梁瑞林 劉金根 胡 英(西安電子科技大學(xué) 710071)
1 引 言
隨著微電機(jī)的廣泛應(yīng)用，微電機(jī)的保護(hù)變得越來越重要。目前國(guó)內(nèi)已有的微電機(jī)保護(hù)措施，通常電路復(fù)雜、靈敏度低、經(jīng)不起振動(dòng)，不能耐大的電壓波動(dòng)和電流波動(dòng)，對(duì)電磁干擾敏感。為改變這一狀態(tài)，利用研制的高分子PTC材料，設(shè)計(jì)制作了微電機(jī)的具有過熱過電流保護(hù)功能的新型自保結(jié)構(gòu)。將這種微電機(jī)的新型自保結(jié)構(gòu)安裝在傳統(tǒng)微電機(jī)上，并不改變傳統(tǒng)微電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)與尺寸，也不降低傳統(tǒng)微電機(jī)的機(jī)械電學(xué)指標(biāo)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)吻合較好。
這種過熱過電流保護(hù)方法，可直接移植到不同種類的微電機(jī)上，具有良好的通用性。
2 微電機(jī)的保護(hù)方法
無論是過熱，還是過電流，都會(huì)燒毀微電機(jī)。二者燒毀微電機(jī)的物理過程，都表現(xiàn)為熱過載，其差別僅在于前者是慢變化熱過載，后者是快變化熱過載。要想保護(hù)微電機(jī)，首先就要對(duì)微電機(jī)的熱學(xué)狀態(tài)，或者電流狀況進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式主要有外測(cè)法和內(nèi)測(cè)法兩種形式。
外測(cè)法作為微電機(jī)保護(hù)器中常用的檢測(cè)方法，檢測(cè)對(duì)象是電壓或電流。它將運(yùn)轉(zhuǎn)中的微電機(jī)視為一個(gè)獨(dú)立單元，從外部檢測(cè)其電流或電壓的變化。當(dāng)變化超過規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器，切斷電源，保護(hù)微電機(jī)。例如，傳統(tǒng)的熱繼電器保護(hù)裝置，把檢測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，當(dāng)被保護(hù)微電機(jī)因故障而造成電流增加時(shí)，該熱繼電器的溫度就會(huì)超過極限溫度，繼電器開始動(dòng)作，從而保護(hù)了微電機(jī)。這種保護(hù)方式對(duì)短路、欠壓、過載能起到保護(hù)作用，但對(duì)斷相保護(hù)不可靠。又如，斷相保護(hù)器是在微電機(jī)外部，檢測(cè)斷相時(shí)產(chǎn)生的三相不平衡電流或電壓，在它們超過規(guī)定值時(shí)動(dòng)作，保護(hù)微電機(jī)。外測(cè)法不直接檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)中的微電機(jī)的內(nèi)部溫度，對(duì)環(huán)境造成的微電機(jī)過熱，即對(duì)慢變化熱過載，保護(hù)不可靠。
內(nèi)測(cè)法的檢測(cè)對(duì)象是溫度。它從微電機(jī)的內(nèi)部檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)中的繞組溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)，啟動(dòng)繼電器，切斷電源。內(nèi)測(cè)法雖然可以有效地檢測(cè)微電機(jī)的過熱現(xiàn)象，但對(duì)于微電機(jī)電路中的電流超過規(guī)定范圍而引起溫度快速增加，即對(duì)于快變化熱過載，反應(yīng)遲鈍，對(duì)微電機(jī)的保護(hù)也不可靠。
上述檢測(cè)方法，無論是外測(cè)法，還是內(nèi)測(cè)法，在測(cè)量之后，還需要有一個(gè)用于切斷電源的執(zhí)行系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。
3 高分子PTC材料
正溫度系數(shù)熱敏電阻(Positive Temper-ature Coefficient，縮寫為PTC)材料分為兩大類，一類是陶瓷PTC材料，一類是高分子PTC材料。陶瓷PTC材科是1950年P(guān)hilips公司Hayman等人發(fā)現(xiàn)的。該類材料從60年代后期以來迅猛發(fā)展，各種不同用途的材料相繼問世，并廣泛用于電子設(shè)備、家用電器之中。然而陶瓷PTC材料雖有阻值跳變快、居里點(diǎn)可調(diào)整、額定工作電壓高等優(yōu)點(diǎn)，但也有性脆易碎、工藝復(fù)雜室溫電阻率較高等缺點(diǎn)，難于滿足微電機(jī)幾十到幾百毫安量級(jí)的過熱過電流保護(hù)的需要。針對(duì)這種情況，研制了一種室溫電阻率小、質(zhì)地柔軟、成本低、易于加工的高分子PTC材料。將這種高分子PTC材料串聯(lián)在微電機(jī)內(nèi)部，可以對(duì)微電機(jī)起到有效的過熱過電流保護(hù)作用。
3.1 高分子PTC材料的電阻一溫度特性
圖1是高分子PTC材料的電阻一溫度特性�？梢钥闯觯跍囟炔惶�，即在Y1。，溫度以下時(shí)，電阻值隨溫度變化不大；當(dāng)溫度升到p，后，電阻值隨溫度升高，按指數(shù)規(guī)律迅速增大，這種現(xiàn)象稱為PTC效應(yīng)，其變化的幅度稱為PTC強(qiáng)度；當(dāng)溫度升時(shí)，電阻值不再隨溫度而升高，PTC效應(yīng)消失。當(dāng)高分子PTC材料用于微電機(jī)的自保時(shí)，微電機(jī)的正常工作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著高分子PTC材料處于Tpi以下的低溫低阻態(tài)，高分子PTC材料的串入不影響微電機(jī)的正常工作；因微電機(jī)過熱而使與其緊靠在一起的高分子PTC材料的溫度升高時(shí)，或者因微電機(jī)過電流而使得與其串聯(lián)的高分子PTC材料由焦耳效應(yīng)而使溫度過高時(shí)，高分子PTC材料處于Tpl～Tp2的高溫高阻態(tài)，它的串入可切斷微電機(jī)的電源，保護(hù)微電機(jī)。本曲線是用聚乙烯作為PTC材料中高分子的主要成分時(shí)測(cè)得的是由PTC材料中高分子成分的軟化溫度決定的，改變高分子材料的成分可以改變溫度Tp1和Tp2的大小。
3.2高分子PTC材料的電壓一電流特性
高分子PTC材料的電壓一電流(U-I)特性，即伏安特性曲線顯示了高分子PTC材料與周圍環(huán)境熱平衡時(shí)的端電壓與電流之間的關(guān)系。曲線形狀與高分子PTC材料的成分、環(huán)境溫度、環(huán)境介質(zhì)種類、放置狀態(tài)等有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度下高分子PTC材料變化后的溫度為71，其端電壓與所流過的電流分別為UT和，，RT0和RT分別表示7的電阻值時(shí)，可表達(dá)為：
式中，BY是該高分子PTC材料的特征參數(shù)。
圖2是制作的高分子PTC材料的電壓一電流特性。
3.3高分子PTC材料的電流一時(shí)間特性
高分子PTC材料的電流一時(shí)間(J—f)關(guān)系特性，即高分子PTC材料加上電壓后，電流，與所經(jīng)歷的時(shí)間的關(guān)系。它真實(shí)地反映出高分子PTC材料在實(shí)用過程中的性能特征。
圖3是室溫電阻值為1 6Ω的高分子PTC材料，加上超常電流或超常電壓時(shí)的電流一時(shí)間曲線。電流****，稱為起始電流隨著時(shí)間的增加，焦耳熱使其本身溫度升高，電阻值增大，電流減小，單位時(shí)間產(chǎn)生焦耳熱也隨之減少。焦耳熱與發(fā)散向周圍環(huán)境的熱量平衡時(shí)，電流穩(wěn)定下來，稱為穩(wěn)態(tài)電流其值除了取決于高分子PTC材料本身外，還與傳熱因素有關(guān)。同樣的高分子材料、同樣的傳熱因素，電壓越高，電流越大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間越短。
4 高分子PTC材料對(duì)傳統(tǒng)微電機(jī)的改造
高分子PTC過熱過電流保護(hù)電路如圖4所示，其串聯(lián)于微電機(jī)的主電路中，緊靠繞組固定在外殼內(nèi)部。
圖5繪出了KFD-6型微電機(jī)在有保護(hù)和無保護(hù)結(jié)構(gòu)情況下的實(shí)測(cè)運(yùn)行曲線。從中可看出，微電機(jī)在正常溫度和正常電壓下起動(dòng)時(shí)，高分子PTC材料的電阻因數(shù)值較小，對(duì)微電機(jī)略有影響，但幾乎可以忽略。隨著微電機(jī)起動(dòng)后阻抗的迅速增加，它們的差別很快消失。另外微電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間比高分子PTC材料的動(dòng)作時(shí)間要短很多，微電機(jī)的起動(dòng)電流對(duì)高分子PTC材料的正常工作不構(gòu)成影響。
圖6是改造后的KFD-6型微電機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。堵轉(zhuǎn)開始后電流迅速增加，馬上急劇減小，5s后幾乎降為0，微電機(jī)得到保護(hù)。
5結(jié)論
利用設(shè)計(jì)制造的高分子PTC材料，對(duì)傳統(tǒng)的KFD-6型微電機(jī)進(jìn)行了成功的改造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
(1)用高分子PTC材料制作的微電機(jī)過熱過電流保護(hù)器串聯(lián)于微電機(jī)電路中，在正常情況下不影響微電機(jī)的正常工作。
(2)用高分子PTC材料制作的微電機(jī)過熱過電流保護(hù)器安裝在傳統(tǒng)微電機(jī)的外殼內(nèi)部，不改變被改造微電機(jī)的外形和尺寸，具有較好的通用性，易于推廣。
(3)用高分子PTC材料制作的微電機(jī)過熱過電流保護(hù)器能夠從過熱和過電流兩個(gè)方面保護(hù)微電機(jī)。
(4)用高分子PTC材料制作的微電機(jī)過熱過電流保擴(kuò)器集中了傳統(tǒng)保護(hù)措施中內(nèi)測(cè)法和外測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自的缺點(diǎn)；而且還省卻了在檢測(cè)器后作為執(zhí)行器的繼電器，從而提高了保護(hù)器的可靠性。用高分子PTC材料制作的微電機(jī)過熱過電流保護(hù)器，集保護(hù)器的信息檢測(cè)、信息處理、保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行于一身，具有人工智能保護(hù)器的特征。
(5)用高分子PTC材料制作的微電機(jī)過熱過電流保護(hù)器的缺點(diǎn)在于電阻率開始快速增加的溫度無法調(diào)整。高分子PTC材料的軟化溫度約為165℃，老化溫度約為185C，而電機(jī)的****允許溫升標(biāo)準(zhǔn)是A級(jí)105 ℃、E級(jí)120℃、B級(jí)130℃、F級(jí)155℃、H級(jí)180℃。因此高分子PTC材料可用于A級(jí)、E級(jí)和B級(jí)微電機(jī)的保護(hù)，無法滿足F級(jí)和H級(jí)微電機(jī)的保護(hù)。
梁瑞林：：男，1946年1月1日出生，副教授，研究方向?yàn)楦叻肿踊鶑?fù)合功能材料與電子陶瓷及其應(yīng)用。
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