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philips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。可以看出，在溫度不太高，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 |
