PolySwitch元件的保護特性解析

PolySwitch自恢復保險絲是美國瑞侃(Raychem)公司生產的一種新型元件，由聚合物摻加導體而制成。聚合物基導電復合材料中往往具有正溫度系數(PTC)效應，即材料的電阻隨溫度上升而增大，并且在聚合物的熔點附近急劇增大，具有熱敏開關特性。

PolySwitch元件在過電流情況下溫度急劇上升，電阻迅速增大，將回路電流降到足夠小，電路如同開路，從而使電路受到保護。當過電流消失時，PolySwitch元件的溫度降低，電阻恢復常態，以允許電路正常工作。由于PolySwitch元件具有自動恢復的特性，通常情況下無需更換，與傳統的保險絲相比具有很多優點，因此在民用和工業領域得到廣泛應用。

PolySwitch元件是非線性元件，且對環境溫度敏感，不同的應用范圍要選用不同的元件。選用PolySwitch元件的通常方法是采用查表法，其手續繁雜，精度不高。本文分析了PolySwitch元件手冊中給出的動作保護特性曲線，根據其特點建立了PolySwitch元件動作保護特性的數學模型。經實驗驗證及曲線比較，證明根據該數學模型繪制的仿真曲線與PolySwitch元件手冊中給出的動作保護特性曲線形態一致，且與實測數據基本吻合。

議題內容：

• PolySwitch元件的動作保護特性
• 保護數學模型的建立
• 確定臨界點位置

PolySwitch元件的動作保護特性

PolySwitch元件有多種系列產品，其產品特性各不相同。以常用的RXE系列元件為例，其20℃時的電氣特性如表1所示。
表1　RXE系列元件20℃時的電氣特性


表1中各符號的含義如下:
IH：20℃環境溫度下的最大工作電流
IT：20℃環境溫度下PolySwitch元件啟動保護的最小電流
Vmax：PolySwitch元件的最大工作電壓
Imax：PolySwitch元件能承受的最大電流
Pdmax：PolySwitch元件動作狀態下的最大消耗功率
Rmax：PolySwitch元件未動作前的初始最大阻值
Rmin：PolySwitch元件未動作前的初始最小阻值
由表1可知，該系列元件所能承受的最大電流為40安培，故障時啟動保護的最小電流是最大工作電流的2倍。

RXE系列PolySwitch元件20℃時的動作保護特性曲線見圖1。其中橫坐標表示故障電流，單位為安培，縱坐標表示動作時間，單位為秒。兩個坐標軸均為對數坐標。圖中每一條曲線對應一個型號的元件，構成該系列元件的動作保護特性曲線簇。表2為圖1中曲線標號與元件型號的對照表。


圖1　RXE系列元件20℃時的動作保護特性曲線

在圖1所示的對數坐標系中，每一條曲線都可看作由彎曲部分和直線部分連接而成，兩部分的臨界點位置隨元件型號的不同而不同。由于各型號元件曲線的變化趨勢基本相同，建立數學模型的方法也相同。
表2　曲線標號與元件型號對照表



數學模型的建立

在圖1所示的坐標系中，PolySwitch元件動作保護特性曲線由彎曲部分和直線部分連接而成，可分別建立其數學模型。以M=RXE160的曲線為例，建立數學模型的具體步驟如下。

確定臨界點位置

對圖1中的曲線進行測量，可得到PolySwitch元件動作保護特性曲線彎曲部分和直線部分的臨界點位置。對M=RXE160的曲線，測得的臨界點位置約為I=4.3A。

直線部分

由表1可知，RXE系列PolySwitch元件所能承受的最大電流為40A。該點與臨界點之間為曲線的直線部分。設動作時間為t(秒)，故障電流為I(安)，考慮到橫軸、縱軸均為對數坐標，兩者之間應具有如下數學關系:

式中a，b均為常數。由圖1直線部分曲線取若干特殊點，經計算機進行數學處理，得到a，b的具體數值:

a=813，b=22.54，

代入(1)式，可得直線部分的數學公式:



曲線部分

由于PolySwitch元件具有PTC效應，其動作保護特性曲線部分的數學模型可參考PTC器件的阻溫特性來建立。該類特性的數學模型可采用冪函數或對數函數的形式。設其數學公式具有如下形式；


式中t0，I0，b均為常數。由圖1曲線部分曲線取若干特殊點，經計算機進行數學處理，得到t0，I0，b的具體數值:

t0=-38.93，I0=4.42，b=-1.83，

代入(3)式，可得曲線部分的數學公式:


　(2)式和(4)式共同組成RXE160元件的動作保護特性數學模型。兩條曲線在臨界點位置平滑連接。

實驗結果

為驗證RXE160元件動作保護特性數學模型的正確性，將RXE160元件接入直流電源保護電路中進行實際測試，得到實驗數據如表3所示。

表3　實驗數據

　　
將實驗數據與數學模型曲線繪制在同一坐標系中，如圖2所示。圖中的曲線為根據(2)式和(4)式繪制的仿真曲線，圖中的點為實測數據點。為了方便比較，曲線的橫軸、縱軸均采用了對數坐標，所用軟件為Matlab6.0。比較圖1和圖2可知，該仿真曲線與PolySwitch元件手冊中給出的動作保護特性曲線形態一致，且與實測數據點之間基本吻合。其他型號曲線的數學模型可按照上述方法分別建立。


圖2　RXE160動作保護特性仿真曲線(20℃)

受元件特性曲線精度的限制，采用查表法選擇PolySwitch元件使用不便，而且精度不高。本文根據PolySwitch元件動作保護特性的特點，建立了PolySwitch元件動作保護特性的數學模型，較好地解決了這一問題。實驗表明，該仿真曲線與PolySwitch元件手冊中給出的動作保護特性曲線形態一致，實測數據與根據數學模型繪制的曲線基本吻合。