PolySwitch元件动作保护特性分析

摘　要：PolySwitch自恢复保险丝具有正温度系数(PTC)效应，广泛用于家用电器、自动化仪表、计算机等电器及电气设备的保护电路中，具有体积小、种类齐全、开关特性好、能自行恢复、可反复使用和不需维护等优点。PolySwitch元件是非线性元件，其动作保护特性常以经验曲线形式给出，用户用查表法进行应用范围的选择，使用不方便，且误差较大。本文根据PolySwitch元件的动作特点，建立了PolySwitch元件动作保护特性的数学模型。比较表明，根据该数学模型绘制的仿真曲线与PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线形态一致，且与实测数据基本吻合。

关键词：PolySwitch元件；自恢复保险丝；动作保护特性；数学模型
　
引言

PolySwitch自恢复保险丝是美国瑞侃(Raychem) 公司生产的一种新型元件，由聚合物掺加导体而制成。聚合物基导电复合材料中往往具有正温度系数(PTC)效应，即材料的电阻随温度上升而增大，并且在聚合物的熔点附近急剧增大，具有热敏开关特性。PolySwitch元件在过电流情况下温度急剧上升，电阻迅速增大，将回路电流降到足够小，电路如同开路，从而使电路受到保护。当过电流消失时，PolySwitch元件的温度降低，电阻恢复常态，以允许电路正常工作。由于PolySwitch元件具有自动恢复的特性，通常情况下无需更换，与传统的保险丝相比具有很多优点，因此在民用和工业领域得到广泛应用。

PolySwitch元件是非线性元件，且对环境温度敏感，不同的应用范围要选用不同的元件。选用PolySwitch元件的通常方法是采用查表法，其手续繁杂，精度不高。本文分析了PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线，根据其特点建立了PolySwitch元件动作保护特性的数学模型。经实验验证及曲线比较，证明根据该数学模型绘制的仿真曲线与PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线形态一致，且与实测数据基本吻合。

PolySwitch元件的动作保护特性

PolySwitch元件有多种系列产品，其产品特性各不相同。以常用的RXE 系列元件为例，其20℃时的电气特性如表1所示。
表1 　RXE 系列元件20℃时的电气特性

表1 中各符号的含义如下:
IH ：20℃环境温度下的最大工作电流
IT ：20℃环境温度下PolySwitch元件启动保护的最小电流
Vmax ：PolySwitch元件的最大工作电压
Imax ：PolySwitch元件能承受的最大电流
Pdmax：PolySwitch元件动作状态下的最大消耗功率
Rmax ：PolySwitch元件未动作前的初始最大阻值
Rmin： PolySwitch元件未动作前的初始最小阻值
由表1 可知，该系列元件所能承受的最大电流为40 安培，故障时启动保护的最小电流是最大工作电流的2倍。

　　RXE 系列PolySwitch元件20℃时的动作保护特性曲线见图1。其中横坐标表示故障电流，单位为安培，纵坐标表示动作时间，单位为秒。两个坐标轴均为对数坐标。图中每一条曲线对应一个型号的元件，构成该系列元件的动作保护特性曲线簇。表2为图1 中曲线标号与元件型号的对照表。


图1 　RXE 系列元件20℃时的动作保护特性曲线

在图1 所示的对数坐标系中，每一条曲线都可看作由弯曲部分和直线部分连接而成，两部分的临界点位置随元件型号的不同而不同。由于各型号元件曲线的变化趋势基本相同，建立数学模型的方法也相同。

表2 　曲线标号与元件型号对照表


数学模型的建立

在图1 所示的坐标系中，PolySwitch元件动作保护特性曲线由弯曲部分和直线部分连接而成，可分别建立其数学模型。以M = RXE160 的曲线为例，建立数学模型的具体步骤如下。

确定临界点位置
对图1 中的曲线进行测量，可得到PolySwitch元件动作保护特性曲线弯曲部分和直线部分的临界点位置。对M =RXE160 的曲线，测得的临界点位置约为I=4.3A。

直线部分
由表1可知，RXE 系列PolySwitch元件所能承受的最大电流为40A。该点与临界点之间为曲线的直线部分。设动作时间为t(秒) ，故障电流为I(安) ，考虑到横轴、纵轴均为对数坐标，两者之间应具有如下数学关系:



式中a ， b 均为常数。由图1 直线部分曲线取若干特殊点，经计算机进行数学处理，得到a，b 的具体数值:

a = 813 ，b =22.54 ，

代入(1) 式，可得直线部分的数学公式:



曲线部分
由于PolySwitch元件具有PTC 效应，其动作保护特性曲线部分的数学模型可参考PTC 器件的阻温特性来建立。该类特性的数学模型可采用幂函数或对数函数的形式。设其数学公式具有如下形式；


式中t0 ， I0 ， b 均为常数。由图1 曲线部分曲线取若干特殊点，经计算机进行数学处理，得到t0 ， I0 ， b 的具体数值:

t0 =-38.93 ，I0= 4.42 ，b =-1.83 ，

代入(3) 式，可得曲线部分的数学公式:


　　(2)式和(4)式共同组成RXE160元件的动作保护特性数学模型。两条曲线在临界点位置平滑连接。

实验结果

为验证RXE160元件动作保护特性数学模型的正确性，将RXE160 元件接入直流电源保护电路中进行实际测试，得到实验数据如表3 所示。

表3 　实验数据


　　将实验数据与数学模型曲线绘制在同一坐标系中，如图2 所示。图中的曲线为根据(2)式和(4)式绘制的仿真曲线，图中的点为实测数据点。为了方便比较，曲线的横轴、纵轴均采用了对数坐标，所用软件为Matlab6.0。比较图1 和图2可知，该仿真曲线与PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线形态一致，且与实测数据点之间基本吻合。其他型号曲线的数学模型可按照上述方法分别建立。


图2 　RXE160动作保护特性仿真曲线(20℃)

结 论

受元件特性曲线精度的限制， 采用查表法选择PolySwitch元件使用不便， 而且精度不高。本文根据PolySwitch元件动作保护特性的特点，建立了PolySwitch元件动作保护特性的数学模型，较好地解决了这一问题。实验表明，该仿真曲线与PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线形态一致，实测数据与根据数学模型绘制的曲线基本吻合。