各种电路保护元件(压敏、热敏电阻)介绍

电路保护元器件2010年2月系列讲座之一电路保护元件常用电路保护元件过流保护元件过压保护元件过温保护元件一次性熔断器自恢复熔断器熔断电阻断路器压敏电阻放电管静电抑制器温度熔断器温度开关热敏电阻瞬态电压抑制器过电流保护元件过电流保护元件一次性熔断器自恢复熔断器熔断电阻器断路器动力熔断器车用熔断器电子熔断器高分子基体PPTC陶瓷基体CPTC一次性熔断器熔断器是最常用的过电流保护元件，若电路中正确地安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常上升到一定高度和持续一定时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用

自恢复熔断器自恢复熔断器是一种正温度系数热敏电阻，当电路发生故障过电流时内阻升高，当达到居里温度时呈阶跃式突变，内部导电链呈雪崩态，电流被夹断，从而对电路进行限制和保护；当断电和故障排除后，一切能恢复为正常状态，无需人工更换。

熔断电阻器熔断电阻器又称保险电阻，兼具电阻器和熔断器功能。当电路出现异常过载超过其额定功率时，它会像保险丝一样熔断，使连接的电路断开起到保险元件作用，对电路中的重要元件进行保护，通常仅能应用于短路保护。

断路器断路器是一种很基本的低压电器，断路器具有过载、短路和欠电压保护功能，有保护线路和电源的能力。

过电压保护元件过电压保护元件压敏电阻瞬态电压抑制器ESD抑制器放电管气体放电管固体放电管高分子基体PESD陶瓷基体CESD普通浪涌抑制高能量浪涌抑制静电抑制TVSER二极管压敏电阻-突波吸收器大量使用氧化锌为主体材料；当加在它上面的电压低于它阀值Un时，流过的电流极小，当电压超过Un时电流激增相当阀门打开，利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受损害。TVS瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受高能量大脉冲时，其阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，把电压钳制在预定水平，其响应时间仅为10-12毫秒，因此可有效地保护电子线路。

P-ESD静电抑制器以Polymer技术为代表的ESD保护器件.高分子功能材料的内部菱形分子以规则离散状排列,当静电电压超过触发电压时,内部分子迅速产生尖端对尖端放电,将静电在瞬间泄放到地.最大特点是反应速度快(0.5~1ns)、非常低的极间电容(0.05~3pf),很小的漏电流(1μA),非常适合各种接口的防护.

C-ESD静电保护器以Ceramic技术为代表的ESD保护器件.采用新颖功能材料以及多层独石结构和低温共烧工艺制成,除了具有P-ESD产品的所有功能和特性以外,兼有触发电压更低和工作寿命更长等优点,使之成为TVS,MLV,PESD等静电保护元器件大家庭中性价比最好的品种.气体放电管一般采用陶瓷封装,内部充满电气性能稳定的惰性气体,正常条件下是关断的，极间电阻达兆欧以上。当浪涌电压超过电路系统耐压强度时，气体放电管被击穿而发生弧光放电现象，由于弧光电压仅为儿十伏，从而可在短时间内限制了浪涌电压的迸一步上升。

固体放电管利用晶闸管原理制成的过压保护器件，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电,可以流过很大的浪涌或脉冲电流.其击穿电压的范围构成了过压保护的范围.用于保护敏感易损的集成电路，使之免遭雷电和突波的冲击而造成的损坏。具有精确导通、快速响应、浪涌吸收组能力强、可靠性高等特点.

过温度保护元件过温度保护元件温度熔断器温度开关热敏电阻器低熔点合金感温触发双金属片正温度系数PTC负温度系数NTC低熔点合金温度熔断器温度保险丝是防止发热电器或易发热电器温度过高而进行保护的，例如：电吹风、电熨斗、电饭锅、电炉、变压器、电动机等等

,通过调整合金的配方就能够调节熔化的温度.感温触发热熔断体热熔断体的有效触发机构是一种具有独特结构不导电的小感温体，在正常操作温度下，固态的小感温体顶住弹簧使引线与壳体保持接触，从而连通电路,当达到某一预定温度时，小感温体溶化，使得行程弹簧推动触片，电路被断开.

温度开关/热继电器用双金属片作为感温组件的温控器,电器正常工作时,双金属片处于自由状态,触点处于闭合/断开状态,当温度达到动作温度时,双金属片受热产生内应力而迅速动作,打开/闭合触点,切断/接通电路,从而起到控温作用。当电器冷却到复位温度时，触点自动闭合/打开，恢复正常工作状态。

正温度系数热敏电阻正常情况下陶瓷材料将导体微粒紧密束缚于结晶状结构内，构成一种低阻抗炼键，线路上流经电流所产生的热量很小，从而电路保持低阻导通；电流增加时温度也会上升，温度会改变结晶结构变成胶状，导体便会分离，阻抗迅速提高，使回路的电流迅速变小，达到保护目的

负温度系数热敏电阻以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件，它的电阻值随温度升高而降低，利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温元件，又可以制成功率型元件，抑制电路的浪涌电流。

21热敏电阻分类热敏电阻正温度系数负温度系数突变型/缓变型陶瓷热敏电阻高分子热敏电阻按阻值-温度系数按阻值-温度变化大小按材质不同22热敏陶瓷陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其电阻率约为10-4~107Ω.cm。半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随环境而变化，利用这一特性，可制成各种不同类型的陶瓷敏感器件，如热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。23热敏陶瓷热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。热敏陶瓷热敏电容热敏电阻热释电材料正温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件。电阻值随温度升高而增加的称为正温度系数（PTC）热敏电阻PositiveTemperatureCoefficient电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数（NTC）热敏电阻NegativeTemperatureCoefficient24CeramicPositiveTemperatureCoefficientCPTC热敏电阻陶瓷正温度系数热敏电阻25概述目前得到广泛应用的是钛酸钡(BaTiO3)系陶瓷PTC热敏电阻器。

BaTiO3陶瓷是一种典型的铁电材料，常温下其电阻率大于1012Ω.cm，为绝缘体。在这种材料中引入稀有元素，可使其电阻率下降到10Ω.cm以下,成为具有很大的正温度系数的半导体陶瓷材料，在居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大4-10个数量级，产生PTC效应。26概述

PTC效应即为电阻随温度上升阶跃式增高的现象，其原因在于：

其结构由晶粒、气孔及晶界组成，在晶粒的界面上形成势垒阻碍电子越界进入到相邻区域中，因此产生高的电阻。

低温时势垒效应抵消，电子可以在晶粒间自由流动。高温时势垒效应形成，阻碍电子在晶粒间的自由流动。27概述

陶瓷PTC热敏电阻材料组织是一种多晶体陶瓷，由晶粒、气孔及晶界组成。晶粒的尺寸大概在2~10μm之间,每个晶粒内部都具有电极取向,且具有较小电阻的施主型半导体，晶界层是一层复杂的结构层，其电阻是晶粒的几倍到几十倍。

晶粒的界面上在低温时由于高的介电常数和自发的极化强度阻碍势垒的形成，并使电子可以在晶粒间自由流动；温度高时势垒形成并阻碍电子在晶粒间的自由流动，导致电阻大幅度地增高，呈现出强烈的PTC效应。

28特性陶瓷PTC热敏电阻具有三个基本特性：电阻-温度（R-T）特性；电压-电流（V-I）特性；电流-时间（I-t）特性。

29Ｒ－Ｔ（电阻-温度）特性Tc：居里温度Rc：开关电阻R25：室温电阻T25：标准室温25℃Tmin：最小温度Rmin：最小电阻Tp：最大工作温度Rp：最大工作电阻Tmax：最大温度Rmax：最大电阻Tc

R25RcRminTminTmaxTpRpT25电阻-温度特性30Ｒ－Ｔ（电阻-温度）特性即是PTC的电阻与温度的关系。Ａ段：在温度低于Tmin时，电阻随温度的上升而下降，呈现负的温度系数特性。Ｂ段：若温度在Tmin与Tmax之间电阻随温度上升而急剧增大，呈现正的温度系数特性，具有应用价值的也就是这一段。C段：当温度高于Ｔmax后，陶瓷体的电阻又随温度上升而下降。

Ｒmax与Ｒmin之比值为PTC效应，通常希望PTC效应越大越好。通常居里温度高于120℃时，称为高温PTC材料；反之称为低温PTC材料。31V-I（伏-安）特性额定电压VN击穿电压VD动作电流IkVNIkVDC32V-I（伏-安）特性

即加在两端电压与达到热平衡的稳定条件下电流之间的关系。Ａ段:在电压较低时（低于额定电压），电流随电压的升高而增大；Ｂ段:通常应用的也就是此段，电压继续升高，电流达到其动作电流Ik，PTC动作,电流随电压升高而下降。C段:当电压上升至击穿电压ＶD后，电流复而随电压上升而增大，这时，PTC易被击穿烧毁。

当环境温度下降，以及散热加快时，需要更大的动作电流，故V-I曲线会上移，如图中虚线所示。33I—t（电流-时间）特性4Ts动作时间Ts残余电流IrIrI(1/2)34I—t（电流-时间）特性即在PTC上加额定电压后，流经PTC的电流将随时间延长而变化的关系。在加上电压后的短时间（0-0.5秒）内，电流达到最大电流值（此时电阻为Rmin），随后PTC动作，电流逐渐下降，最后降至Ｉ∞而稳定下来。

Ｉ—t曲线亦会随环境温度和散热条件的不同而变化。当环境温度下降，以及散热加快时，动作时间会延长，曲线上移，如图中虚线所示。35主要参数额定零功率电阻R25最小电阻Rmin居里温度Tc电阻温度系数αT动作电流Ik动作时间Ts不动作电流Ink最大电流（耐电流）Imax残余电流Ir最大工作电压（耐电压）Vmax额定电压VN击穿电压VD36主要参数定义额定零功率电阻R25

是指在25℃环境下零功率测量PTC热敏电阻值（零功率是指测量时加在PTC热敏电阻上的功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计）。最小电阻Rmin

指PTC热敏电阻可以具有的最小的零功率电阻值，Rmin值小于R25。居里温度Tc

对于PTC热敏电阻的应用来说，电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。居里温度通常指2倍Rmin所对应的温度值。37主要参数定义温度系数αT

温度变化导致的电阻相对变化曲线斜率。温度系数越大，PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。一般取T1=Tc+15℃,T2=Tc+25℃

αT(%/℃)=(lnR2-lnR1)*100/(T2-T1)表面温度Tsurf

指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时，PTC热敏电阻表面的温度。不动作电流Ink

流过PTC热敏电阻的电流，不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动作电流.38主要参数定义动作电流Ik

流过PTC热敏电阻的电流,足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流。动作电流的最小值称为最小动作电流。Ik=2Ink以上动作时间Ts

环境25℃条件下,给PTC热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流),通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间.最大电流Imax

是指PTC热敏电阻最高的电流承受能力。超过最大电流时PTC热敏电阻将会失效。39主要参数定义残余电流Ir

残余电流是在最大工作电压Vmax下，热平衡状态下的电流。最大工作电压Vmax

规定的环境温度下，允许持续地保持在PTC热敏电阻上最高的电压。对同一产品而言，环境温度越高，最大工作电压值越低。通常Vmax=VN*1.15~1.2额定电压VN

额定电压是指最佳供电电压，小于最大工作电压。击穿电压VD

击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力。PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。40PPTC热敏电阻与CPTC热敏电阻比较（性能）优势劣势PPTC1、零功率电阻可以做到较小,适用大电流过流保护2、动作速度快，恢复时间短1、每次动作阻值不能恢复到原值2、不耐高电压大电流冲击3、工作电压最高600VCPTC1、不动作电流可以做到较小,适用小电流过流保护2、动作后可恢复性和稳定性较好3、高电压大电流冲击耐受能力较好4、最高工作电压1000V1、动作时间相对较慢2、零功率电阻一般都在1欧以上41与PPTC热敏电阻比较（用途）PPTCCPTC过流过载保护过热保护电机启动延时启动加热功能自动消磁备注：此为一般情况下42应用-过流过载保护原理

当电路处于正常状态时，通过PTC热敏电阻器的电流小于额定电流，PTC热敏电阻器处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常工作。

当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，PTC热敏电阻器陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对“断开”状态，从而保护电路不受破坏。

当故障排除后，PTC热敏电阻器亦自动恢复至低阻态，电路恢复正常工作。43应用-三种常见过流过载保护

RL1为正常工作时的负载曲线，当负载阻值减少，如变压器线路短路，电流急增，负载曲线由RL1变为RL2，超过B点，PTC热敏电阻器进入保护状态；1、电流过载（负载曲线）44应用-三种常见过流过载保护电源电压增加，如220V电源线突然升到380V，导致电流增加，负载曲线由RL1变为RL2，超过B点，PTC热敏电阻器进入保护状态;2、电压过载（负载曲线）45应用-三种常见过流过载保护当环境温度升高超过居里温度以上，PTC热敏电阻器伏-安特性曲线由A-B-E变成A-B1-F，负载曲线RL超过B1点，PTC热敏电阻器进入保护状态；3、温度过载（负载曲线）46应用-三种常见过流过载保护应用实例47应用-三种常见过流过载保护选型参数/指南：

1.额定电阻值R25

2.不动作电流Ink

3.动作电流Ik4.最大工作电压Vmax

5.最大工作电流Imax

6.居里温度Tc（高于环境温度20~40℃）

7.外形尺寸

8.使用环境温度（温度越低，动作电流越大）48应用-过流过载保护随着通讯设备技术的不断进步，对交换机、配线架和用户设备的保护要求也大大提高了。用PTC热敏电阻器保护电话线路，主要针对以下原因引起的过电流现象：直接雷击或邻近电话线路设备的雷击引起的浪涌电流；邻近的电力线路或者铁路系统故障时引起的交流感应电压；电话线路与电力线路搭接。通讯设备交换机/配线架49应用-过流过载保护通常一根电话线串联一只PTC，如有初级保护（一般为气体放电管），PTC耐电压在300V左右就够了，如没有初级保护，PTC耐电压需在600V以上。通讯设备交换机/配线架应用实例初级保护二级保护电话机电话机50应用-过流过载保护1.额定零功率电阻值R252.不动作特性

40±2℃60VDC通最大Ink持续60min，测试过程自身电阻变化率ΔR/R25≤50%；（ΔR=R-R25）

3.过流动作特性4.耐工频电压能力

265Vrms，通Imax30min，恢复4H后变化率ΔR/R25＜20%；5.耐工频电流能力

电压220Vrms，通Imax，通60S，断600S，循环20次，恢复4H后变化率ΔR/R25＜20%；通讯设备交换机/配线架应用参数及测试要求51应用-过流过载保护6.耐冲击电流能力

短路电流波形10/1000μs，最小开路电压1.0KV，短路电流峰值25A，间隔时间3min，循环30次，恢复4H变化率ΔR/R25＜20%；7.耐感应电压能力（耐压600V以上需测试）

电压600/650Vrms，起始电流1.1A，通电2S，断电600S，循环10次，恢复4H后变化率ΔR/R25＜20%）；8.恢复时间

220Vrms1.0A，动作一次恢复至2倍零功率电阻值所需时间＜60S；9.电源电压250Vrms，起始电流10A；

电源电压600Vrms，起始电流15A；

电源电压650Vrms，起始电流10A。

通电时间30min,允许开路或高阻态,不允许出现低阻态或开裂。通讯设备交换机/配线架应用参数及测试要求52应用-过热保护原理利用PTC热敏电阻器在居里温度以上电阻值陡然升高的特性来达到过热保护目的。当环境温度异常升高时，装有PTC热敏电阻器的保护线路通过由低阻值急剧增长至高阻值的改变，从而接通或断开回路，达到保护组件目的。

53应用-过热保护应用实例如图在正常环境温度下，PTC热敏电阻器阻值Rp+R1<RL,电路电流流经Rp和R1通路,当环境温度过高，高于PTC居里温度时，PTC动作导致Rp大幅增大，电路电流流经RL，从而起到线路保护作用。54应用-过热保护选型参数：

1.最大电压Vmax2.保护温度点Ts

3.额定电阻值R25

4.保护温度电阻值Rs(Ts对应的电阻值)

5.保护温度-15℃电阻值RTs

（RTs=Rs-R(Ts-15℃)）6.最大电流Imax

7.外形尺寸

8.感知温度部位及热耦性55应用-电机启动主要用于单相感应电动机中，使电动机安全启动。电动机（特别是带有负载的电动机）在启动时既要克服其本身的惯性，同时又要克服负载的反作用力，因此电动机在启动时往往需要较大的电流和转矩。当电动机运转正常后，需要的转矩将大幅度下降。因此，为了有效地节约能源，这类电动机一般都加有一组辅助绕组。启动时，辅助绕组工作，运转正常后断开。56应用-电机启动应用实例57应用-电机启动选型参数：

1.额定电阻值R25

2.最大工作电压Vmax3.最大电流Imax

4.动作时间It5.恢复时间t(二次启动用）

6.消耗功率W(一般越低越好)

7.外形尺寸

8.击穿电压VD9.绝缘电压V58应用-延时启动

将PTC热敏电阻用在节能灯电子镇流器上，可以改变电子镇流器、电子节能灯硬启动为预热软启动，灯丝预热时间0.4~2.0S，可延长灯管寿命3~4倍。

对某一特定的电子镇流器、电子节能灯而言,所选用的PTC阻值越大、体积越小、居里温度越低,其功耗就越小、预热时间亦越短；反之功耗就越大，预热时间亦越长。59应用-延时启动应用实例

刚接通开关时，PTC处于常温态,其阻值远远低于C2阻值，电流通过C1、PTC形成回路预热灯丝。约0.4-2S后，PTC温度超过居里温度Tc跃入高阻态，其阻值远远高于C2阻抗，电流通过C1、C2形成回路导致L谐振，产生高压点亮灯管。实例1实例2

刚接通开关时，R处于常温态,其阻值远远低于C阻值，电流通过PTC预热灯丝(MOV起吸收浪涌作用)。约0.4-2S后,PTC温度超过居里温度Tc跃入高阻态,R阻值远远高于C阻抗(此时MOV处于开路),电流通过C形成回路导致L谐振，产生高压点亮灯管。R(MOV+PTC)串联60应用-延时启动选型参数：

1.额定电阻值R252.居里温度Tc3.最大电压Vmax4.外形尺寸5.PTC消耗功率

针对实例2时还需注意：

1.配套的灯管电压

2.配套的灯管功率

61应用-延时启动选型指南：1.因灯具工作温度高，PTC居里温度应在100℃左右；2.启动线路为单电容时，PTC耐电压通常在800V以上；3.在满足启动特性前提下优先选用电阻率高的PTC热敏电阻；4.需考虑低温启动；5.预热时间不小于0.4S；6.寿命一般在100,000次；7.灯具启动后PTC功耗要符合有关要求(国家或行业规定)62应用-加热功能

PTC热敏电阻通电后自热，导致元件本体温度上升，电阻进入跃变区，电流迅速下降，当散热功率与发热功率持平时，电流为恒定值Ir，此时PTC表面温度也在恒定值。

该表面温度由PTC自身控制，但也可以通过断开电路控制。63应用-加热功能

PTC热敏电阻作为加热使用的优点：1.安全

具有低温、恒温加热，表面绝缘，无明火，不燃烧等特点；2.节能

具有低温、恒温加热，热转换率高，且当环境温度上升时可自动降低加热功率；3.制热迅速

其发热功率随环境温度降低而提升，用于空调压缩机时，因启动会有较大冲击电流，所以在温度低时制热也较快；4.自然寿命长

与传统发热丝相比，有着无法比似的使用寿命优势。64应用-加热功能应用实例暖风机用PTC器件液体加热PTC器件发夹用PTC器件

PTC热敏电阻加热优势，广泛应用在直发器、暖风机、灭蚊器、加香器、过胶机、保温杯、干燥器、加湿器、电铬铁、电吹风等等。65应用-加热功能选型参数：

1.额定电阻值R25

2.表面温度Tsurf3.最大工作电压Vmax4.外形尺寸

5.多个PTC加热片使用为并联66应用-消磁功能

为了消除外界杂散磁场引起的图象扭曲，彩电和彩显中都设计了自动消磁电路，由PTC热敏电阻和消磁线圈来达到消磁效果。其原理是每次开机时施加能量，在正常运行后逐渐移除能量，使电子束只受到偏转线圈的作用，而不受外部任何杂散磁场的影响。

当开机时，PTC热敏电阻处在低阻态，消磁线圈中形成大电流，磁力线可有效消除外界磁场的影响，随后PTC热敏电阻在大电流的影响下进入高阻态，残余电流很小，近似于开路，磁力线降低，达到正常运行下可接受的限度。67生产工艺整体工艺流程：

称重==>混合==>湿法球磨==