输入保护电路的设计 admin    18/09/07



一.输入保护电路的基本构成

    开关电源输入保护电路的基本构成如图3-1-1所示

图3-1-1  开关电源输入保护电路的基本构成

    开关电源常用输入保护元件的主要性能比较见表3-1-1

表3-1-1  开关电源常用输入保护元件的主要性能比较

    熔丝管俗称保险管,其电路符号为FU,熔丝管是用铅锡合金或铅锑合金材料制成的,具有熔点低、电阻率高及熔断速度快的特点, 正常情况下熔丝管在开关电源中起到连接输入电路的作用,一旦发生过载或短路故障,使通过熔丝管的电流超过熔断电流, 熔丝就被熔断,将输入电路切断,从而起到过电流保护作用。

二.熔丝管

    熔丝管俗称保险管,其电路符号为FU,熔丝管是用铅锡合金或铅锑合金材料制成的,具有熔点低、电阻率高及熔断速度快的特点, 正常情况下熔丝管在开关电源中起到连接输入电路的作用,一旦发生过载或短路故障,使通过熔丝管的电流超过熔断电流, 熔丝就被熔断,将输入电路切断,从而起到过电流保护作用。

1.熔丝管的工作原理

    当熔丝管上有电流流过时,因电能转换成热量会使熔体的温度升高,正常工作时熔丝管所产生的热量可通过热对流、热传导等方式散发到周围空气中, 使发热量与散热量达到平衡,若发热量大于散热量,多余的热量就逐渐积累在熔丝上,使之温度进一步升高,当温度超过熔点时, 熔丝就被熔化而切断电路中的电流,这就是熔丝管的工作原理,实际上熔丝管是否会熔断,还取决于发热速率和散热速率,这分3种情况: 第一种情况是发热速率小于散热速率,熔丝管不会熔断,第二种情况是发热速率等于散热速率,熔丝管在相当长的时间内也不会熔断, 第三种情况是发热速率大于散热速率,只要温度超过熔点,熔丝管就被熔断。

    熔丝管一般由3部分组成:①熔体,它是熔丝管的核心,熔断时起到切断电流的作用;②两个电极,它是熔体与电路的述接部分,其导电性要好, 安装时的接触电阻要小;③管卡和支架,它应具有良好的机械强度、耐热性和阻燃性,使用中不应产生断裂、变形、燃烧及短路故障, 电力设备所使用的熔丝管还应具有灭弧装置,常用的灭弧材料为石英砂,此外,某些熔丝管还带熔断指示装置,当熔丝管熔断后能自动进行光报警, 有的还能带指示器。

2.熔丝管的产品分类

    熔丝管的产品分类見表3-1-2。

表3-1-2  熔丝管的产品分类

分类方式产品类型
按额定电压分类高压熔丝管(如微波炉用的5kV熔丝管),低压熔容丝管(如250V熔丝管),安全电压熔丝管(如32V熔丝管)
按熔断电流分类l、2、3、5、10、15、25、30A等
按保护形式分类过电流保护熔丝管过热保护熔丝管(温度熔丝管),温度开关(热保护器),一次性电流熔丝管,自恢复熔丝管
按外形尺寸分类微型、小型、中型及大型熔丝管。φ2、φ3、φ4、φ5、φ6等规格的熔丝管
按形状分类平头管状熔丝管,尖头管状熔丝管,螺旋式熔丝管,插片式熔丝管,贴片式熔丝管,平板式熔丝管,铡刀式熔丝管
按封装形式分类玻璃封装、陶瓷封装、贴片封装等
按用途分类仪器仪表及家用电器使用的熔丝管,汽车熔丝管,机床熔丝管,电力熔丝管
按熔断速率分类特慢速熔丝管(TT),慢速熔丝管(T),中速熔丝管(M),快速熔丝管(F),超快速熔丝管(FF)
按熔断特性分类快速熔断型,延时熔断型
按所采用的安全标准分类IEC(中国、欧洲等标准)、UL(美国标准)等

    慢速熔丝管亦称延时熔丝管,它能在出现非故障性脉冲电流时正常工作,并对长时 间的过载提供保护。有的开关电源在开机瞬间所产生的脉冲电流可达正常工作电流的几 倍,尽管持续时间很短,但这种脉冲电流很大,仍能使普通熔丝管熔断,导致开关电源 无法正常开机。若选择更大容量的熔丝管,则电路过载时将得不到保护。慢速熔丝管另 用特殊工艺制成的熔体,具有吸收能量的作用,适当调整能量吸收比,可使它既能抗浪 涌电流,又能对过载进行有效地保护。

3.熔丝管的主要参数

    (1)额定电压。熔丝管在安全工作状态下所允许的最高工作电压,额定电压分32、 125、250、600V等规格。需要指出,熔丝管是否被熔断只取决于流过它的电流大小, 而与工作电压无关。熔丝管的额定电压只是为安全使用熔丝管而规定的。仅当工作电压 不超过额定电压时熔丝管才能安全可靠地工作,熔断时不会出现飞弧或被击穿现象。

    (2)额定电流。额定电流是指熔丝管正常工作时的最大电流。

    (3)熔断电流。熔丝管在额定电压下能可靠熔断的电流值。熔断电流等于额定电流 乘以熔断系数,熔断系数一般为1.1-1.5。由此可见,即使流过熔丝管的电流大于它 的额定电流但并末超过熔断电流,熔丝管也不会熔断。

    (4)压降。熔丝管在通过额定电流时产生的压降,它反映了熔丝管内阻的大小。熔 丝管的压降应足够小,以降低功率损耗。

    (5)电阻。熔丝管是用正温度系数的材料制成的,其冷态电阻小于热态电阻。

    (6)环境温度。环境温度越高,熔丝管的工作温度越高,其承载电流能力越低,寿 命越短。因此,在较低温度下工作可延长熔丝管的寿命。

    (7)温升。当熔丝管流过1.1倍额定电流时熔丝管的温升值,它等于实测温度与环与境温度的差值。

    (8)熔断时间。熔丝管熔断过程所需时间。

4.使用注意事项

    (1)所选熔丝管的额定电压应大于被保护回路的输入电压。例如,开关电源的输入 电压为交流220V,应选择额定电压为250V的熔丝管。

    (2)实际使用熔丝管时,额定电流应小于标称值的75%。例如电路中工作电流为 0.75A,可选额定电流至少为1A的熔丝管。

    (3)快速熔丝管适用于工作电流比较恒定、浪涌电流较小的电路。延时熔断型熔丝 管适用于电路中只存在正常的浪涌电流,且没有对浪涌电流敏感的元器件。

    (4)环境温度越高,熔丝管的工作寿命越短。可根据厂家提供的温度影响曲线来选 择额定电流。当环境温度过高时会降低熔丝管的使用寿命。延时型熔丝管不允许长时间 工作在150℃以上,快速熔丝管不能长期工作在175—225℃以上。

    (5)熔丝管老化后额定电流值会降低,容易造成误保护,当过载电流较小时就切断 电路。

    (6)熔丝管与管夹的接触电阻越小越好,一般应小于3mΩ。更换开关电源的熔丝 管时,必须与原来的规格一致。

三.熔断电阻器

    熔断电阻器亦称保险电阻器或可熔断电阻器。它兼有电阻器和熔断器的双重功能, 在正常工作时它相当于一只小电阻。当电路发生故障,导致电流增大并超过其熔断电流 时,就迅速熔断,对电路和元器件起到过电流保护作用。熔断电阻器适用于低压电源的 保险装置。用熔断电阻器代替熔丝管的优点是它在熔断时不会产生电火花或烟雾,既安 全又不造成干扰。熔断电阻器属于耗散型元件,一般适用于10W以下的开关电源,大 于10W时应采用熔丝管。

    熔断电阻器的外形及国标符号如图3-1-2所示。熔断电阻器的功率一般为 O.125—3W,阻值为零点几欧姆至几十欧姆,最高可达几千欧姆。熔断电流从几十 毫安到几安培,熔断时间为几秒至几十秒。国产金属膜熔断电阻器有RJ90系列。 RF10、RF11系列则是具有阻燃特性的熔断电阻器,其技术指标详见表3-1-3。熔断电 阻器大多属于一次性产品,当电阻器达到某一温度时,涂有熔断材料的电阻膜立即熔 断,使电阻器断路,熔断后需更换同种规格的产品。使用一次性熔断电阻器时应悬空安 装在印制板上。但目前也有供多次使用的可修复熔断电阻器。它是在电阻器的一端用低 熔点焊料焊接弹性金属片或金属丝上,过热时焊点首先熔断,使弹性金属片或金属丝与 电阻器断开,但经过修复后可继续使用。

图3-1-2  熔断电阻器

表3-1-3  RF10和RF11系列产品技术指标

系列额定功率(W)阻值范围(Ω)阻值偏差(%)稳定度(%)温度系数(10-6/℃)耐压(V)外形尺寸(mm)
RF100.250.47~1k 55350250Φ2.5×7
0.50.47~1k 55350250Φ3.9×10.5
10.47~1k 55350250Φ5.5×14
20.47~1k 55350250Φ6.5×17
RF110.50.33~1.5k 553501000Φ6.3×13.5
10.33~1k 5535010006.5×6.5×14
20.33~1k 5535010007.4×7.4×19
30.33~3.3k 55350100010.5×10.5×23

四.负温度系数功率热敏电阻器

    负温度系数热敏电阻器简称NTCR,其特点是在工作温度范围内电阻值随温度的升 高而降低,电阻温度系数αT一般为-(1~6)%/℃。当温度大幅度升高时,其电阻值 可降低3~5个数量级。典型NTCR的外形、电路符号及电阻一温度特性曲线分别如图 3—1—3(a)、(b)、(c)所示。常见的热敏电阻器有圆形、垫圈形、管形等。NTCR的 电路符号见图(b),文字符号则用RT表示。NTCR是由锰、钻、镍的氧化物烧成半导 体陶瓷而成的。热敏电阻器大多为直热式,即热源是从电阻器本身通过电流时发热而获 取的。此外还有旁热式,需外加热源。国产NTCR有MF系列产品,其中的M表示敏 感元件,F代表负温度系数。国外产品有10K3AlIA、SB—1、D22A等型号。

图3-1-3  热敏电阻器的外形、电路符号及电阻—温度特性曲线

    NTCR的主要参数如下:

    RT——零功率电阻值。“零功率”的含义是指不存在热效应(或由热效应所引起的 测量误差可忽略不计)。RT通常是在25℃环境温度下测得的阻值,即热敏电阻器上所 标出的阻值。

    αT——零功率电阻温度系数,表示在零功率条件下,温度每变化l℃所引起的电阻 值的相对变化量,单位是%/℃。

    δ——耗散系数,是指热敏电阻器每变化1℃所消耗的功率相对变化量,有公式: δ=ΔP/ΔT,δ的单位是mW/℃。

    近年来问世的功率热敏电阻器亦称软启动功率元件,它也属于NTCR中的一类。 其特点是标称阻值低(仅为1—47Ω)、额定功率高(10一500W)、工作电流大(1— 10A),特别适合做各种电源的启动保护元件。其外形与图3—1—3(a)中的圆片形NT— CR相同,直径为Φ~Φ15mm。典型产品见表3-1-4,型号中前边的数字表示直径 (mm),中间数字是标称阻值,末尾数字为额定电流(A)。

表3-1-4  功率热敏电阻器的典型产品

型号标称阻值(Ω)额定电流(A)额定功率(W)
8-10110110
5-0525220
10-10310390
13-05656180
15-204204320
15-473473423

    功率热敏电阻器在开关电源通电时能起到瞬间限流保护作用。刚通电时因滤波电容 上的压降不能突变,容抗趋于零,故瞬间充电电流很大,很容易损坏高压电解电容。为 解决这一问题,通常采用“硬启动”方式,即在电路中串入一只几欧姆低阻值限流电阻 R。然而普通电阻器的阻值是基本恒定的,在开关电源转入正常工作之后,R上的功耗 势必导致电源效率降低。更好的方案是选用功率热敏电阻器及RT代替普通限流电阻R, 并且限流值可选得稍高些。其工作特点是刚启动电源时RT的阻值较高,瞬间限流效果 好,但伴随着电流通过发出的热量,其阻值迅速减小,功耗明显降低,真正做到了一举 两得。

五.压敏电阻器

    压敏电阻器是电压敏感电阻器的简称,其英文缩写为VSR,它属于一种过电压保 护元件。

1.压敏电阻器的性能特点

    压敏电阻器是以氧化锌(ZnO)或碳化硅(SiC)为主要材料而制成的金属——氧化 物——半导体陶瓷元件,其电阻值随端电压而变化。压敏电阻器的主要特点是工作电压范 围宽(6—3000V,分若干挡),对过电压脉冲响应快(几纳秒至几十纳秒),耐冲击电 流的能力很强(可达100A——20kA),漏电流小(低于几微安至几十微安),电阻温度系 数低(小于0.05%/℃),且价格低廉,体积小,是一种理想的保护元件。由它可构成 过电压保护电路、防雷击保护电路、消除火花电路、浪涌电压吸收回路。

    压敏电阻器的主要参数如下:

    (1)标称电压U1mA:当通过1mA直流电流时,元件两端的电压值。选择标称电压 的原则如下:对于直流电压UDC,应选U1mA>(1.3~1.6)UDC;对于交流电压UAC,应选 择U1mA>(1.9~2.2)UAC;对于脉冲峰值电压UP,可选U1mA>(1.4~2.0)UP

    (2)漏电流:当元件两端电压等于75%U1mA时,元件上所通过的直流电流。

    (3)通流量:在规定时间(8/20uS)内,允许通过脉冲电流的最大值。其中, 电流从90%UP到UP的时间为8uS,峰值持续时间为20uS。

    压敏电阻器的外形、电路符号及伏安特性曲线如图3-1-4所示。VSR本身没有极 性,其正、反向伏安特性曲线呈对称性,都具有稳压作用,因此它不仅能用于交、直流 电路,还可作为小电流(<1mA)电路中的双向限幅或稳压元件。压敏电阻器的伏安特 性曲线呈非线性。

图3-1-4  压敏电阻器的外形、电路符号及电阻—伏安特性曲线

2.压敏电阻器的产品分类

    国产压敏电阻器的型号中,MY代表压敏电阻器,它又分普通型、防雷型、消磁 型、稳压型等多种类型。例如,MY31—270/3表示标称电压为270V、通流容量为3kA 的普通型压敏电阻器,MYU—1表示防雷用压敏电阻器。每种型号又分多种规格。常见 的标称电压有6、18、22、24、27、33、39、47、56、82、100、120、150、200、216、 240、250、270、283、320、375、470、850、900、UOO、1500、1800、3000V等规格。

    压敏电阻器典型产品的主要参数见表3-1-5

表3-1-5  压敏电阻器典型产品的主要参数

产品型号标称电压U1mA(v)漏电流(uA)通流量(A)外形尺寸(mm)
MYL07DK22~82≤10100Φ10×4.2
MYL10DK22~82≤10200Φ14×4.3
MYL14DK22~82≤10500Φ17×4.3
MYL20DK22~82≤101KΦ23×4.3
MYL25DK22~82≤102KΦ28×5
MYL30DK82~1500≤105KΦ34×12
MYL40DK82~1500≤1010KΦ43×12


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