NTC热敏电阻

用于浪涌电流限制的PTC热敏电阻

发布时间:2018-11-11    文章来源:敏创原创    点击次数:
用于浪涌电流限制的PTC热敏电阻
摘要


  当今的许多应用,包括工业机械,电动工具和其他高电流设备,都使用限制浪涌电流作为主要设计考虑因素来对抗浪涌电流的问题影响。当系统上电并经历电流尖峰时,会发生浪涌电流。该电流可以显着高于标准工作电流。如果管理不当,可能会缩短有效使用寿命并对设备造成损害。例如,浪涌电流可能会使冷却风扇失效,最终导致整个系统故障。


快速接通和断开的应用,例如焊接设备,特别关注限制浪涌电流。限制浪涌电流电路必须在每次上电期间立即复位以保护系统。这进一步使浪涌电流的管理复杂化。

浪涌电流概述
  在上电期间,可能会出现高浪涌电流,因为电源的链路电容可以抑制输出电流中的纹波。这个电容就像一个短路,导致电流涌入。浪涌持续到电容器充电为止。浪涌电流的长度取决于电源和链路电容器。
电源的低内阻加剧了这个问题。电源中的任何电阻都会通过热量导致效率低下。为了最小化电阻,工程师通常使用感性负载。虽然这提高了电源的整体工作效率,但是当电源接通时,缺乏电阻使得浪涌电流能够通过主系统。
在通电时暂时在电源和系统之间引入高电阻限制浪涌电流。当电源接通时的初始电流浪涌达到完成时,电阻会切换。
 
基于NTC的限制
  对于许多系统,负温度系数(NTC)热敏电阻可以有效地限制浪涌电流。NTC热敏电阻根据其温度提供可变电阻。在电源和系统之间放置NTC热敏电阻可限制浪涌电流(参见图1)。首先,NTC热敏电阻的初始温度很低,提供高电阻。当系统通电时,它会激活NTC热敏电阻,导致温度升高,从而降低电阻。当电阻降至较低值时,电流通过而不会对正常操作或功率效率产生不利影响。
 
浪涌电流限制器通常安装在A和B或C&D位置,有时仅根据应用位置A或C位置。
 
图1:
 基于NTC的限制电路
为了限制浪涌电流,在电源和系统之间放置一个NTC热敏电阻(见图1)。通电后,NTC热敏电阻提供高电阻以限制浪涌电流。随着浪涌电流的下降,NTC热敏电阻会自行加热,其电阻会下降到足够低的值以使电流通过。

例如,考虑一个具有10A连续电流和100A的浪涌电流的系统。上电时,NTC MS32 100 15热敏电阻的初始电阻为10欧姆。NTC MS32 100 15不允许传递100 A,而只允许35 A通过。然后,当NTC MS32 100 15自加热时,其电阻下降并降低电流,直到浪涌电流结束。NTC MS32 100 15仍然继续加热,将电阻降至0.05欧姆,达到稳定状态,并使电流通过最小的效率损失。
 
与使用固定电阻器和旁路电路的浪涌限制电路相比,基于NTC的限制具有几个优点。基于NTC的电路通常占用固定电阻器的电路板空间的一半。它还有一个非常简单的选择标准来设计电路。由于电阻在自加热时下降,因此不需要旁路电路来禁用限制电路。最后,与基于固定电阻器的限制相比,基于NTC的电路具有更低的总成本。

基于PTC的限制
NTC热敏电阻是最常用的限制器。它们具有广泛的用途和应用。但是,存在一些需要正温度系数(PTC)的情况。如果系统满足下列例外情况之一,则PTC热敏电阻是最佳选择。

例外
  • 环境温度高于室温:如果环境温度已经很高,系统上电时NTC热敏电阻的电阻会降低。这种较低的电阻将降低NTC热敏电阻的限制能力,并可能使系统面临风险。
  • 环境温度低于室温:如果环境温度已经很低,NTC热敏电阻的电阻会非常高。即使在最初的浪涌结束后,高电阻也会限制所有电流并阻止系统实际开启。
  • 复位时间必须接近于零:某些类型的设备(如焊接齿轮或等离子切割机)在正常操作过程中经常打开和关闭。这会产生多个浪涌电流实例。基于NTC的限制根据NTC热敏电阻的性质进行操作,以自热并降低其电阻。但是,当系统快速关闭然后再打开时,NTC热敏电阻可能没有完全冷却。根据NTC热敏电阻的尺寸和质量,NTC热敏电阻需要一段时间才能释放热量并复位。如果NTC热敏电阻没有足够的时间冷却,则当系统再次打开时,它将具有较低的电阻,降低其处理浪涌电流的能力并保护系统。
  • 短路:短路会使系统的内阻降至接近零,从而迅速提高系统从电源吸收的电流。由于NTC热敏电阻限制了该电流,因此温度会迅速升高,从而降低其电阻。这允许更多的电流流过,直到它可能损坏系统。短路的高电流也会破坏NTC热敏电阻。

基于PTC的限制分析
  当前面的情况发生时,正温度系数(PTC)热敏电阻可以提供有效的浪涌电流保护。PTC热敏电阻与NTC热敏电阻相反:随着温度升高,其电阻增加。在居里温度(T c)下,电阻开始迅速增加。例如,图2显示了PTC MCL20 500 100热敏电阻与NTC热敏电阻相比的行为。在T c,电阻迅速增加。在低温下,电阻保持恒定。

图2:
当MCC20 500 100热敏电阻的电阻增加时,NTC 热敏电阻的电阻随着自发热而下降。在PTC MCL20 500 100的120 ° C 特定阈值下,电阻急剧增加,使PTC MCL20 500 100能够快速响应浪涌电流。另请注意PTC  MCL20 500 100在低温下的响应平坦,使其在整个温度范围内都有效。

PTC热敏电阻权衡
在基于PTC的限制电路中进行设计时,需要进行一些权衡。PTC热敏电阻的成本约为NTC热敏电阻的1.5倍。此外,基于PTC的限制要求有源电路绕过PTC热敏电阻,以防止关闭整个系统。随着电阻的增加,它会限制输入电流。即使在浪涌电流降至正常水平后也会发生这种情况。
旁路电路在通电期间有效一段时间,通常是浪涌电流稳定所需量的3或4倍(见图3)。然后,旁路电路自行关闭并通过PTC热敏电阻发回电流,以保护系统免受短路。如果旁路电路总是由高电流触发,则限制电路在短路期间不会提供保护。总的来说,增加的响应性和高级保护超过了旁路电路的额外复杂性和成本。
 
图3:
完整的PTC限制电路,带旁路电路 
基于PTC的限制电路需要旁路电路将电流反馈回PTC热敏电阻,以保护系统免受短路。通过将旁路设置为浪涌电流稳定所需量的3或4倍,基于PTC的限制器的响应时间非常快。

结论
  NTC热敏电阻通过在器件上电时提供串联电阻来限制浪涌电流。它们也是最常用的热敏电阻,因为它们适用于各种设备。但是,某些情况可能需要PTC热敏电阻。这些热敏电阻通过在高温下提供高电阻来阻止浪涌电流。例子包括工业设备,电动工具和其他快速切换系统(见表1)。对于这些情况,PTC热敏电阻提供了经济有效的保护和出色的响应能力。其他优点包括:接近零复位时间,在极端温度条件下工作的能力,以及限制短路时的高电流时的有效性。




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