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用于火警和安防系統(tǒng)的電路保護(hù)器件

發(fā)布時間:2010-09-17

中心議題:
  • 過流保護(hù)的工作原理分析
  • 過壓保護(hù)的工作原理分析
  • 保護(hù)IC的功能介紹
解決方案:
  • PPTC器件的導(dǎo)通電阻由低電阻轉(zhuǎn)換到高電阻狀態(tài)是基于溫度的變化的可以實現(xiàn)過流和過溫保護(hù)
  • 金屬氧化物變阻器可以承受大電流、吸收能量

安防和火警系統(tǒng)設(shè)計在特定電流和電壓范圍內(nèi)工作。如果由于短路、瞬時過壓而導(dǎo)致電壓和電流超出了正常范圍,系統(tǒng)中的部件就會永久損壞,設(shè)備也因此不能發(fā)揮正常功能。供電和電路走線也必須進(jìn)行保護(hù),以避免在安裝過程中或后備電池短路時發(fā)生故障。

安防系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器常常用于發(fā)生緊急情況時向消防部門或警察報警。這些電話線路必須進(jìn)行保護(hù),以免被閃電、電力線搭線,或交流感應(yīng)電流毀壞。告警系統(tǒng)也必須符合UL864標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)要求焊裝的保險絲是不允許用在供電電路中進(jìn)行限流的。如果安防系統(tǒng)與電話線連接,在北美就必須符合UL60950和TIA968-A標(biāo)準(zhǔn),在歐洲和其他地區(qū)也必須符合ITUK.21標(biāo)準(zhǔn)。

過流保護(hù)

在安防和告警系統(tǒng)中,保險絲通常用于過流保護(hù)。然而,UL864和UL90950對這些設(shè)備來講顯然要求過高了,它可能在某些測試條件下使設(shè)備發(fā)生疲勞。更重要的是,保險絲是一次性的器件,被燒毀后必須更換。

許多設(shè)備制造商更愿意使用可重復(fù)使用的聚合物正溫度系數(shù)(PolymericPositiveTemperatureCoefficient:PPTC)器件來進(jìn)行電路保護(hù),例如,PolySwitch器件。與保險絲不同,PPTC器件在發(fā)生短路故障后不用更換,并且允許在過流條件排除后重新上電使電路回到正常工作狀態(tài)。

PPTC器件由包括導(dǎo)電填充物在內(nèi)的合成物構(gòu)成,例如,碳黑填充物等,它們使整個器件可以導(dǎo)電。在常溫條件下,導(dǎo)電粒子在聚合物中形成很低的導(dǎo)通電阻。然而,如果溫度上升到器件的切換溫度(TSW),無論是由通過器件的大電流引起的,還是由環(huán)境溫度的驟然增加所引起的,都會導(dǎo)致聚合物中的微晶熔化并處于非結(jié)晶態(tài)。

在結(jié)晶體熔化階段,熔化的數(shù)量增加會將導(dǎo)電顆粒分離,從而使器件的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生非線性增加。導(dǎo)通電阻通常會增加三個或更多數(shù)量級。導(dǎo)通電阻的增加使流過故障條件下的設(shè)備電流降低到一個很低的、穩(wěn)定的值,因此有助于保護(hù)電路中的設(shè)備。

由于PPTC器件的導(dǎo)通電阻由低電阻轉(zhuǎn)換到高電阻狀態(tài)是基于溫度的變化的,所以這種器件可以實現(xiàn)過流和過溫保護(hù)。當(dāng)電流流過PPTC器件時,根據(jù)功率消耗公式I2R,電流被轉(zhuǎn)換成熱功率,器件就被加熱。當(dāng)加熱的溫度達(dá)到切換溫度時,PPTC器件就會“跳閘”,從而進(jìn)入高導(dǎo)通電阻狀態(tài)。

PPTC器件也可以放在某個需要進(jìn)行過熱保護(hù)的發(fā)熱器件旁邊或設(shè)備的結(jié)合處。如果設(shè)備的溫度達(dá)到了PPTC器件的切換溫度,PPTC器件就會轉(zhuǎn)換到高導(dǎo)通電阻狀態(tài)。通過這種方式,PPTC器件可以用于把電流降低到非常低的水平,或者作為設(shè)備超溫的系統(tǒng)指示??刂葡到y(tǒng)然后可以決定采取哪種合適的動作來保護(hù)設(shè)備或人員。
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PPTC器件是串接到電路中的器件。與傳統(tǒng)保險絲相比,它們本身很小的體積有助于節(jié)省電路板空間。而傳統(tǒng)保險絲必須安裝在用戶可以觸到、可以更換的位置。由于PPTC器件是固態(tài)器件,所以它們能夠承受機(jī)械沖擊和震動。

過壓保護(hù)

有許多種方法可以用于保護(hù)安防和火警系統(tǒng)免于因開關(guān)或閃電所帶來瞬態(tài)過壓產(chǎn)生的故障。比較常用的兩類過壓保護(hù)方式是采用電壓鉗位器件和電壓監(jiān)視器件,或稱之為“crowbar”的器件。鉗位器件,如金屬氧化物變阻器(MetalOxideVaristors:MOV)和二極管起作用時允許高到一個特定鉗位電平的電壓通過負(fù)載。電壓監(jiān)視器件,如氣體放電管(gasdischargetubes:GDT)和半導(dǎo)體閘流管浪涌抑制器在有超過關(guān)斷電壓的浪涌電壓發(fā)生時就會動作。

在供電線路需要過壓保護(hù)的應(yīng)用中,金屬氧化物變阻器可以承受大電流、吸收能量,而且響應(yīng)迅速。把金屬氧化物變阻器和PPTC成對使用可以實現(xiàn)一個完整的電路保護(hù)方案,用于保護(hù)供電線路和控制板中的變壓器。

安防和火警設(shè)備也必須進(jìn)行保護(hù)免受靜電放電(electrostaticdischarge:ESD)的毀壞。ESD保護(hù)器件可以把電子設(shè)備中敏感電路累積的靜電放掉。PESD器件提供了ESD保護(hù),并具有非常低的電容(0.2pF),特別適合高頻應(yīng)用。

新型保護(hù)IC

新一代增強聚合物齊納二極管也可以保護(hù)敏感的電子器件免于被感應(yīng)電壓尖峰、瞬態(tài)過壓、不正確的供電和極性接反等所損壞。如圖1所示,PolyZen器件包括一個用于電壓鉗位的穩(wěn)壓齊納二極管和一個非線性PPTC薄膜器件。


圖1增強型聚合物齊納二極管用于便攜電子設(shè)備的輸入電源保護(hù)

當(dāng)該器件工作時,PPTC薄膜通過低通狀態(tài)向高通狀態(tài)切換來實現(xiàn)二極管過熱或過流保護(hù)。在持續(xù)大功率過壓的條件下,PPTC元件的啟動限制了電流,并產(chǎn)生電壓降來有效地保護(hù)齊納二極管和其后的電子設(shè)備,也增加了二極管的功率承受能力。

PolyZen器件在鉗位和平滑感應(yīng)電壓尖峰方面效果顯著。對于感應(yīng)電壓尖峰,齊納二極管把電流分流到地,直到電壓達(dá)到正常工作范圍。在供電電壓異常的情況下,該類器件可以鉗位電壓,并對地分流額外的功率,實現(xiàn)了對異常電壓的鎖定。

PolyZen器件相對平坦的電壓電流響應(yīng)有助于鉗位輸出電壓,即使在輸入電壓和電流完全不對稱的情況下亦如此。簡單放一個這樣的器件就可以提供和齊納二極管相同的保護(hù)作用,但卻可以承受非常高的功率異常,而且不需要在通常的PCB走線上放置任何特殊的散熱器。

集成化的器件在電路保護(hù)方面可以有助于設(shè)備制造商滿足UL60950、TIA-968-A、ITUK.20和K.21電信保護(hù)的需求。2Pro器件包括PPTC過流保護(hù)技術(shù),并將一種金屬氧化物變阻器也集成到一個熱保護(hù)器件中,它可以提供過流條件下的電流限制和過壓條件下的電壓鉗位。


圖2用于安防和火警系統(tǒng)中的電路保護(hù)方案示意圖

圖2描述了一個典型的用于安防和火警系統(tǒng)的電路保護(hù)方案。其中,過流保護(hù)是通過PolySwitchPPTC器件實現(xiàn)的。過壓保護(hù)是通過金屬氧化物變阻器和PESD器件實現(xiàn)的,并且集成了前面所描述保護(hù)設(shè)備I/O端口的PolyZen和2Pro器件。
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