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防护电路中的元器件认识大全（2）

PTC是一种限流保护器件，它有一个动作温度值TS，当其本体内温度低于TS时，其阻值维持基本恒定，这时的阻值称为冷电阻。当正温度系数电阻本体那温度高于TS时，其阻值迅速增大，可以达到的最大阻值能过比冷电阻值打104倍左右。由于它的阻值可以随温度升高而迅速增大，所以一般串联于线上用作暂态大电流的过流保护。
PTC反应速度较慢，一般在毫秒级以上，因此它的非线性电阻特性在雷击过电流通过时基本发挥不了作用，只能按它的常态电阻（冷电阻）来估算它的限流作用。热敏电阻的作用更多的体现在诸如电力线碰触等出现长时间过流保护的场合，常用于用户线路的保护中。

目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC两种，其中陶瓷PTC的过电压耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC响应速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能实现低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。

保险管、熔断器、空气开关都属于保护器件，用于设备内部出现短路、过流等故障情况下，能够断开线路上的短路负载或过流负载，防止电气火灾及保证设备的安全特性。
保险管一般用于单板上的保护，熔断器、空气开关一般可用于整机的保护。下面简单介绍保险管的使用。
对于电源电路上由空气放电管、压敏电阻、TVS管组成的防护电路，必须配有保险管进行保护，以避免设备内的防护电路损坏后设备发生安全问题。图5给出了保险应用的两个例子，其中a电路中防护电路与主回路共用一个保险，当防护电路短路失效时主回路供电会同时断开，b电路中主回路和防护电路有各自的保险，当防护电路失效时防护电路的保险断开，主回路仍然能正常工作，但是此时端口再出现过电压时，端口可能会因为失去防护而导致内部电路的损坏。两种电路各有利弊，在设计过程中可以根据需要选用。无馈电的信号线路、天馈线路的保护采用保险管的必要性不大。

图5 保险应用的两个例子
保险管的特性主要有：额定电流、额定电压等。其中额定电压有直流和交流之分。标注在熔丝上的电压额定值表示该熔丝在电压等于或小于其额定电压的电路中完全可以安全可靠地中断其额定的短路电流。电压额定值系列包括在N．E．C规定中，而且也是保险商实验室的一项要求，作为防止火灾危险的保护措施。对于大多数小尺寸熔丝及微型熔丝，熔丝制造商们采用的标准额定电压为32、63、125、250、600V。
概括而言，熔丝可以在小于其额定电压的任何电压下使用而不损害其熔断特性。防护电路中的保险管，宜选用防爆型慢熔断保险管。

电感、电阻、导线本身并不是保护器件，但在多个不同保护器件组合构成的防护电路中，可以起到配合的作用。

防护器件中，气体放电管的特点是通流量大、但响应时间慢、冲击击穿电压高；TVS管的通流量小，响应时间最快，电压钳位特性最好；压敏电阻的特性介于这两者之间，当一个防护电路要求整体通流量大，能够实现精细保护的时候，防护电路往往需要这几种防护器件配合起来实现比较理想的保护特性。

但是这些防护器件不能简单的并联起来使用，例如：将通流量大的压敏电阻和通流量小的TVS管直接并联，在过电流的作用下，TVS管会先发生损坏，无法发挥压敏电阻通流量大的优势。因此在几种防护器件配合使用的场合，往往需要电感、电阻、导线等在不同的防护元件之间进行配合。下面对这几种元件分别进行介绍：
电感：在串联式直流电源防护电路中，馈电线上不能有较大的压降，因此极间电路的配合可以采用空心电感，如下图：

图6 用电感实现两级防护器件的配合
电感应起到的作用：防护电路达到设计通流量时，TVS上的过电流不应达到TVS管的最大通流量，因此电感需要提供足够的对雷击过电流的限流能力。
在电源电路中，电感的设计应注意的几个问题：

1、电感线圈应在流过设备的满配工作电流时能够正常工作而不会过热；

2、尽量使用空心电感，带磁芯的电感在过电流作用下会发生磁饱和，电路中的电感量只能以无磁芯时的电感量来计算；

3、线圈应尽可能绕制单层，这样做可以减小线圈的寄生电容，同时可以增强线圈对暂态过电压的耐受能力；

4、绕制电感线圈导线上的绝缘层应具有足够的厚度，以保证在暂态过电压作用下线圈的匝间不致发生击穿短路。

在电源口的防护电路设计中，电感通常取值为7～15uH。
电阻：在信号线路中，线路上串接的元件对高频信号的抑制要尽量少，因此极间配合可以采用电阻，如下图：

图7 用电阻实现两级防护器件的配合
电阻应起到的作用与前述电感的作用基本相同。以上图为例，电阻的取值计算方法为：测得空气放电管的冲击击穿电压值U1，查TVS器件手册得到TVS管8/20us冲击电流下的最大通流量I1、以及TVS管最高钳位电压U2，则电阻的最小取值为：R≥（U1-U2）/I1。

在信号线路中，电阻的使用应注意的几个问题：

1、电阻的功率应足够大，避免过电流作用下电阻发生损坏；2、尽量使用线性电阻，使电阻对正常信号传输的影响尽量小。
导线：某些交/直流设备的满配工作电流很大，超过30A，这种情况下防护电路的极间配合采用电感会出现体积过大的问题，为解决这个问题，可以将防护电路分为两个部分，前级防护和后级防护不设计在同一块电路板上，同时两级电路之间可以利用规定长度的馈电线来做配合。

图8 用导线实现两级防器件的配合
这种组合形成的防护电路中，规定长度馈电线所起的作用，与电感的作用是相同的，因为1米长导线的电感量在1～1.6uH之间，馈电线达到一定长度，就可以起到良好的配合作用，馈电线的线径可以根据满配工作电流的大小灵活选取，克服了采用电感做极间配合时电感上不能流过很大工作电流的缺点。

变压器、光耦和继电器本身并不属于保护器件，但端口电路的设计中可以利用这些器件具有的隔离特性来提高端口电路抗过电压的能力。
端口雷击共模保护设计有两种方法：1、线路对地安装限压保护器，当线路引入雷击过电压时，限压保护器成为短路状态将过电流泄放到大地；

2、线路上设计隔离元件，隔离元件两边的电路不共地，当线路引入雷击过电压时，这个瞬间过电压施加在隔离元件的两边。只要在过电压作用在隔离元件期间，隔离元件本身不被绝缘击穿，并且隔离元件前高压信号线不对其他低压部分击穿，线路上的雷击过电压就不能够转化为过电流进入设备内部，设备的内部电路也就得到了保护。

这时线路上只需要设计差模保护，防护电路可以大大简化。例如以太网口的保护就可以采用这种思路。能够实现这种隔离作用的元件主要有：变压器、光耦和继电器等。
这里的变压器主要是指用于信号端口的各种信号传输变压器。变压器一般有初/次级间绝缘耐压的指标，变压器的冲击耐压值（适用于雷击）可根据直流耐压值或交流耐压值换算出来。大致的估算公式为：冲击耐压值=2×直流耐压值=3×交流耐压值。

图9 用变压器实现隔离
上图示出一种将变压器结合在内的信号端口防护电路设计。雷击时，设备外部的线缆上可感应的对地共模过电压作用在变压器的初级和次级之间，如图9。只要初/次级不发生绝缘击穿，设备外电缆上的过电压就不会转化为过电流进入设备内部。这时端口只需要做差模保护，利用变压器等器件的隔离特性，有利于简化端口的防雷电路。
采用这种方法设计需要注意的是：变压器、光耦和继电器等元件本身的绝缘耐压能力应很高（例如冲击耐压大于4kV），否则在过电压的作用下很容易发生绝缘击穿，不能起到提高端口耐压的作用。

另外，利用变压器的隔离特性时，需要注意变压器的初/次级间有分布电容，某些情况下外部线缆上的共模过电压可通过分布电容从初级耦合到次级，从而进入到内部电路中，这样就破坏了变压器的隔离效果，因此应尽量选用带有初次极间屏蔽层的变压器，并将变压器屏蔽层外引线在单板内接地，如图9所示。

这时变压器的有效绝缘耐压变成了初级与屏蔽接地端间的绝缘耐压值。采用共模隔离设计的另一个需要注意的问题是初级电路与单板上其它电路、地的印制线在单板上应分离开，并有足够的绝缘距离。一般，印制板上边缘相距1mm的两根印制走线，能耐受1.2/50us冲击电压4kV左右。
在防护电路的器件选型过程中对气体放电管、压敏电阻、热敏电阻、保险管、熔断器、空气开关等都要选择有安全认证的器件。

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