Matthew Chamberian /泰科电子传感器与控制器事业部战略市场经理

    本论文针对采用Raychem电路保护部的PolySwitch™ LVR系列聚合物正温度系数（PPTC）器件保护线电压变换电路中的线性变压器提出了一些建议。

    新型LVR器件的线电压工作范围从120VAC至240VAC，适用于变压器初级端的保护。LVR器件能保护变压器和电子电路免受两种主要故障的影响－初级端过电压和次级端短路。LVR器件除了具有限制电流的功能，还能够感测到温度的升高并对其作出相应反应，以保护变压器的初级线圈。

    要保护线性变压器免受过电流、过电压和过热损坏，可以采取多种策略。常用的方法是在初级端采用热保险丝，而在次级端采用电流限制器件。这个解决方案有助于保护设备免受过热和过电流状态的影响。但这种方式的缺点在于，热保险丝属于一次性器件，一旦发生故障，变压器便无法运行。由于热保险丝在一般情况下是嵌入到变压器内部的，如果保险丝熔断，则不得不更换变压器，甚至更换整块电路板。

    LVR器件系列设计用于将PolySwitch聚合物正温度系数（PPTC）器件的过电流和过热保护特点用于交流主电路线电压应用中。240VAC额定值的LVR系列能够为设备提供过电流故障保护，并有助于在降压和隔离变压器中提供热保护。LVR器件的这种双重保护性能以及可复位的特性将两种器件的功能结合到一起，从而有利于降低制造商的保修和维护费用。

    新型可复位保护器件

    泰科电子公司最近推出了Raychem电路保护集团的PolySwitch LVR器件，设计用于为线性变压器的初级端以及次级端电子电路提供保护。LVR技术采用众所周知的、并经过实践验证的PolySwitch器件的性能，但是它拥有更高的电压额定值，因此可以在进行电路保护的设计中予以考虑，以避免采用其它成本较高的解决方案。除了传统的PolySwitch器件的电流限制能力以外，LVR器件还能保护设备免受过高温度的损坏。因此该器件适用于变压器的保护，在单一器件中同时提供过电流和过热保护。而且，由于LVR器件在故障事件发生后还能够自行复位[1]，所以通常不需要进行更换。这些优点有助于设备制造商降低生产、保修、维护和修理成本。

    保护线性变压器

    线性变压器广泛应用于家用电器、建筑自动化系统、便携式电子设备、可充电式电动工具、电话应答机、旅行用电源、无绳电话和无线电话等功率变换器件中。这些设备的电源通常被终端用户认为十分可靠，而这些电源发生故障后，可能导致长时间的工作停止，或者需要进行更换。

    LVR器件能够提供过电流保护

    变压器次级端短路是电子电路系统中常见的故障。这类故障可能是由于设备内部故障引起的，也可能是由于所连接负载的短路造成的。这类故障将造成次级线圈和初级线圈中电流的增大，线圈的温度上升，而这可能导致绝缘等级下降和故障的产生。

    在接入变压器初级端的线路时，LVR器件响应增大的故障电流，并在规定动作点时转为高阻抗状态，为系统提供过电流保护。这样就能限制初级端的电流，同样也限制了次级端电流，保护了次级端电子电路免受过电流的损坏。LVR器件保持在高阻状态直到故障清除，器件冷却恢复到低阻状态。在绝大多数情况下，为了让LVR器件能够复位，有可能必须将故障状态清除，并将设备的电源断开。一旦LVR器件复位后，设备即可恢复正常的设备运行。

    LVR器件能够感测到过热状态

    毫不例外，LVR器件与普通PolySwitch器件相同，当内部温度升高到某一特定水平后，也会发生动作，而且与通过的电流的大小无关。这种特性使得LVR器件既可用于过热保护，也可以用于过电流保护。LVR器件的过热感应元件对于电流没有真正升高而有故障导致线圈升温的情况尤为适用。将LVR器件替换通常缠绕在变压器内的热保险丝后，能够充分发挥LVR产品的双重保护能力。

    以下列故障为例，如果由于中性线连接松脱，240Vac的电压加载到120Vac的主电路上。如果在这种状态下，在变压器初级端所增加的电流可能不会超过电流保护器件的动作电流值。这就是一般情况下除了在变压器的次级端加上一个过电流保护器件之外，要在变压器初级端安装一个热保险丝的原因。热保险丝可以感测变压器的温度上升，并在温度达到特定值时，通过使电路开路停止电流的流动。这虽然可以防止变压器出现故障，但是要求在松脱中线修理完后更换变压器部件或其电路板。这就意味着设备停止运行、进行维修或更换。

    另一种方法是用LVR器件替代这个热保险丝。LVR器件通常体积很小，足以按与热保险丝相同的方式整合到变压器内。变压器发热将导致LVR器件温度相应上升，导致LVR器件动作。动作后，电流下降，从而防止变压器温度的继续上升。而且，LVR器件不仅会由于过电流而动作，还有可能在变压器过热时动作。在过电流故障状态下，LVR器件将保持在高阻抗状态下，直至故障消除，而且电源断开，LVR器件冷却下来。一旦LVR器件复位后，设备即可恢复正常运行。重要的是，LVR器件不仅有助于保护变压器和次级端电子电路，防止其发生过电流和过热损坏，而且它还是一种可复位的器件。因此，它所保护的设备通常不需要经过维修就能恢复运行。这是使用单一用途保险丝的保护方案无法实现的。因此，如果设备采用了LVR器件，就能消除或降低维修和设备停运的高昂成本，从而节省了设备用户的时间和费用。

    陶瓷正温度系数（CPTC）器件也是一种变压器的可复位保护方案。在本项应用中与陶瓷正温度系数（CPTC）器件相比，LVR器件能够将线圈的最高温度限制在一个较低的水平下，并在动作状态时提供较低的表面温度（100ºC至120ºC）。根据所施加电压的不同，陶瓷正温度系数器件在高阻值状态下的表面温度可达180至220ºC，这不适于线圈绝缘额定值低于陶瓷正温度系数器件的表面温度的过热保护方案。而陶瓷正温度系数器件的结构也更易碎，导致它容易由于许多变压器应用中所存在的冲击、振动、或反复回热和冷却所产生的热应力而损坏。LVR器件通常在电路中的阻值较低，而且其电容值也低得多，不容易受频率的影响，而且体积也小于连续电流额定值与之相当的陶瓷正温度系数器件。LVR器件的特性能使其成为在线性变压器的初级端提供过电流和过热保护的首选的解决方案。

    LVR器件概括

    LVR系列的PolySwitch®可复位电器件的额定电压为240VAC，最高能够耐受高达265VAC的电压，而且能够承载50至400毫安的电流。其封装采用简单的圆形或矩形径向引线器件，有多种尺寸可供选择。一些重要的器件参数如下表所示：

    定义：

    保持电流 – 在规定条件下，能够流经PolySwitch器件且不会造成器件动作的最大稳态电流。

    动作电流 – 在规定条件下，流经PolySwitch器件时会造成器件动作的最小稳态电流。

    R1MAX – 在动作后或在回流焊接后，室温下1小时后的PolySwitch器件的最大阻值。

    LVR的重要特性

    在将LVR器件应用在线性变压器电路中时，器件的某些特性必须予以考虑。为应用选择最适当的器件需要理解如图1所示的温度引起的额定值降低特性。如图所示，环境温度线上升1度，平均保护电流额定值将下降约1%。这表明，在评估LVR器件的保持电流功能时，要考虑变压器的实际工作温度。

    图1. 热递减曲线

    另一项要在设计中加以考虑的因素是动作时间。如图2所示，器件的典型动作时间取决于动作电流和器件的尺寸。

    图2. 典型动作时间特性

    在将LVR器件结合到变压器组件中时，要对LVR器件进行选择，以确定该器件能在要求的电流水平和过热水平下进行动作。在选择某一应用中的LVR器件时，必须仔细考虑电流和变压器受热所产生的热量影响。

    聚合物正温度系数（PPTC）部件的工作原理

    聚合物正温度系数器件由半晶态的聚合物和导电性颗粒组成的导电性复合材料。在正常的工作温度下，其内的导电性颗粒在聚合物中形成低阻值的导电链路图（图3）。但是，当温度上升到器件的开关温度（TSw）以上时，不管其热量来自流经该器件的大电流，还是来自环境温度的上升，聚合物内的晶体都会发生融化，形成非晶体物质。在这个从晶相融化的过程中，其体积变大，造成导电性颗粒的分离，并导致器件阻抗呈大幅度的，非线性的增加。

    图3.  聚合物正温度系数（PPTC）器件的晶体结构

    如图4所示，电阻值在一般情况下将增加3个或3个以上的数量级。电阻值上升后，有助于通过把故障下允许流过的电流减少到一个较低的稳态水平，保护电路中的设备。该器件将保持在锁定（高阻值）状态下，直至故障消除且电路电源断开，此时器件内导电成份冷却并重新结晶，将聚合物正温度系数（PPTC）部件恢复至低阻值状态下，而且电路和受影响的设备也恢复到正常的工作状态。

    图4. 聚合物正温度系数（PPTC）部件的典型工作曲线

    常规的机构要求

    当通电设备或系统用于将线路电压变换至另一种电压或功率时，一般情况下至少要由一个管理机构（例如UL、CSA或TUV）来设定该变换电路或设备的安全技术要求和限值。在绝大多数应用中，在设计阶段必须考虑一种以上的技术规范。以下就部分美国保险商实验室（UL）如何关联LVR器件在变压器保护中的应用。

    UL 1585 – 第2级和第3级变压器标准

    本标准覆盖了分别采用第2级或第3级电路进行设计的第2级和第3级变压器，电路等级的定义按照NEC ANSI/NFPA 70执行。这些变压器的使用目的在于连接实际为正弦波的电源。永久性连接的变压器额定值为600伏特或更低，而采用电缆或插头连接的变压器额定值为120伏特或更低。如果这些变压器没有通过其线圈的固定阻抗进行自我保护（即内部限流）以将电流输出值限定在一个最大值，则必须采用一个过电流保护器件来进行限制其最大功率（参见标准的第1.3节）。本标准不要求过电流保护器件内置到变压器内，但它要求所有未进行内部限流的第2级或第3级变压器必须包括过电流保护器件。此外，任何预计独自运行的变压器必须内置过电流保护装置。例如，对于采用交流电缆直接与线电源连接的的变压器来说，就可能需要内置一个过电流保护器件。

    过电流保护器件必须在标准中所规定的状态下将电路开路（参见第28节表28.1；过电流保护器件的校准测试）。该表提供了开路的最大合格时间，这段时间取决于变压器的开路电压额定值和规定的二次回路电流，而且提供了在第2级和第3级在不同试验条件下的可接受标准。

    本标准明确规定了“过电流保护器件不应当为自动重新闭合型的器件”（第18.8节）。但这一规定并不适用于PolySwitch器件。标准中明确允许使用PolySwitch器件（参见第19节：“分离式电流限制阻抗”）。

    本标准规定了最大输出电流和功率的技术要求（参见第27节）。非内部限流型变压器的最大功率要求最为直接地联系着那些使用LVR器件能够保护的应用场合。LVR器件可以用于协助变压器满足UL 1585标准的技术要求。这是一个有关变压器的标准，它设计测试的条件以确保变压器在规定的输出额定值下连续运行，而且这些测试条件绝大多数不涉及过电流器件。

    本标准中所包括的测试中有一个示例，PolySwitch器件可以协助变压器满足过载发热的技术要求（参见第32节）。这项测试的目的在于确认变压器能否在不足以引发过电流保护设备动作的情况下，保持长期工作的能力，而且变压器不会产生火灾危险或触电危险。变压器满足了特定的温度上升的技术要求，且没有发生火灾或触电危险的迹象时，变压器就通过了这项测试（例如UL 1585标准的表32.4）。针对这项测试，PolySwitch器件可能显示出超出其它技术的优势。如果将本器件整合到变压器中，其拥有的较低的动作温度有助于确保变压器的温度不会超过标准所规定的数值。

    UL1310：第2级电源装置标准

    这项标准适于连接到15A，额定120VAC或240VAC的分支电路的直接插入型第2级电源装置，以及适用于连接15A或20A交流分支电路且对地电压为150伏或更低的电缆连接型第2级电源装置。在任何输出负载状态下，这些电源装置的输入功率不得超过660W。这些电源装置除了提供第2级电源水平，主要用于为低压电气设备提供电源。这项标准允许在初级端或次级端电路中采用PolySwitch器件进行保护（参见标准UL 1310中的第9节）。

    根据这项标准，如果第2级电源装置采用一台直流电源适配器进行供电，则不能依靠这台直流电源适配器中的任何过电流保护功能来为这台第2级电源装置本身提供过电流保护（参见第12.3节）。这台第2级电源装置本身必须采用某些特定的过电流保护措施，以满足标准中所规定的输出电流和电源试验的要求（参见第28节）。采用LVR器件通过限制输出电流和功率耗散，有助于这类非内部限制的第2级电源装置满足UL1310的要求。

    结合LVR器件的过电流保护器件的电源装置必须通过一项耐久性测试（参见第33.2节）。在这项测试中，电源装置运行在最大输出电流负载下。这项测试的要求是外壳任何一处的温度上升不超过65oC。LVR器件在与变压器热耦合后，通过限制设备的温度上升，来协助电源装置满足这项技术要求。

    第2级以外的电源装置标准UL1012

    本标准包括输入额定值在600V以下的通用、便携、静止和固定的电源装置，而且至少有一项输出未标有第2级，并适用于NEC INNS/NFPA 70所定义的普通场合中。通用型电源，例如应用在家用电路、学校实验室和工业设备的电源均包括在本标准范围内。本标准也包括UL 1564标准中不包括的蓄电池充电器。

    本项标准规定过电流保护器件不得位于交流线路输入的接地（中性）侧（参见第22.5节）。因此，任何对LVR器件的应用均应当在交流输入的电源线路中。在变压器初级端所使用的用于保护次级端电路的LVR器件有助于在规定的负载下，满足有关动作时间方面的技术要求（参见第43A节表43A.1和第78节表78.1）。

    UL1012标准的第24节主要针对交流输出的电路保护。PolySwitch器件可以应用于低于60VAC的输出或符合表29.1的直流输出的场合中。但是，在输出电流超过60VAC时，标准规定要求使用断路器或保险丝。

    UL 1411 音频、无线电和视频类电器中所使用的变压器和电机变压器

    本标准适用于上述应用中的变压器，即直接与交流供电电路连接的变压器。本标准中包括线性和开关型电源变压器。本标准还专门针对PolySwitch器件作为内置过电流保护器件的应用。位于变压器内部的LVR器件有助于变压器满足温度测试的要求，这项测试规定了在某些特定条件下变压器的温升最大值（参见示例，标准UL 1411中第19节表19.1）。在这种联合式的过热/过电流保护应用中，在选择适当的器件时必须加以注意，以保证在不造成热引发误动作的条件下，满足过电流保护的要求。

    对于第17.1a节中性能分类的变压器，由于规定其线圈阻抗具有内部限流功能，所以可能无需过电流保护器件。但是，这类变压器仍能从LVR器件的热性能中得到益处，有助于它们满足在第19、22和27.1节规定的温度技术要求。

    UL 697玩具变压器

    本标准的技术要求包括设计用在被插入到电动玩具中的120V交流电路的变压器。这种变压器为降压隔离型变压器，具有较低的次级端电压。在使用这种变压器时往往会有粗心大意的情况可能使次级端端子之间发生短路。此外，对于玩具来说，任何符合第2级技术要求（UL 1310）的变压器还必须满足本标准的技术要求。

    与UL1310相类似，UL 697标准中也表明，玩具变压器的初级端电源输入功率不得超过660瓦。再加上120V的限定电压要求，使绝大多数玩具应用的电流范围保持在LVR系列产品的范围内。

    请注意，LVR器件应视为一个UL 1434标准中的热敏电阻或热量传感器，而不是恒温器或热断路器件。

    UL 1077电气设备辅助保护器

    本标准涉及已经在线路中提供了分支电路过电流保护的电器或其它电气设备的电路保护安全要求。分支电路保护的一个例子是，位于建筑物交流主电路进路与建筑物内电气接线之间的断路器柜。在这种情况下，断路器用于提供分支电路过电流保护功能。使用PolySwitch器件作为辅助性保护器的技术要求见第19节：过电路保护器，第20节：温度；第21节：过载试验；第22节：耐久性；第25节：短路。PolySwitch器件有助于设备满足这些章节中的技术要求，但针对非常特殊的应用所开发的特种设备不包括在内。LVR器件可直接用于本标准规定范围的设备中，其“额定电流”等于PolySwitch器件的保持电流，而“额定动作电流”等同于PolySwitch器件的动作电流。

    结论

    Raychem电路保护部的LVR器件目前能够为变压器初级端回路提供过电流和过热保护方案。这些器件具有能够在单一器件中同时提供过电流和过热保护功能。这有助于设备制造商通过减少部件的数量和供应商数量来降低成本。LVR系列聚合物正温度系数（PPTC）器件的复位性能也给设备制造商带来益处，有助于降低维护和保修成本。这些优势是现有的单一用途保险丝解决所不具备的。