電路保護元件的發展與應用
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3.1通用金屬絲型熔斷器
這類熔斷器主要是在玻璃或陶瓷管內置放金屬保險絲而成,其特點是一次性使用,出現故障后需要更換。使用方便,價格低廉，仍是目前熔斷器中數量最多的產品，品種規格齊全，廣泛應用于各類電力/電子產品中。有些廠家的這類熔斷器通過了UL認證,能夠滿足UL248和IEC127規范的要求。因此,安裝這類熔斷器的產品可以在世界各地銷售。
3.2表面貼裝型SMD熔斷器
為了適應SMT的需求,近年來一些熔斷器廠家開發了多種表面貼裝型SMD熔斷器。美國AEM公司最近在網上發表了疊層多元獨石SMD熔斷器（USPatent6,034,589:MultilayerandMultielementMonolithicSurfaceFuse）,它是用該公司的UV專利工藝制造的陶瓷疊層元件，相當于將幾個熔斷絲并聯，因而它具有體積小、能量密度大、獨石結構可靠性高、精度高、響應速度快、易與其它元件集成等諸多優點，是目前世界上單位體積承受功率最大的SMD熔斷器，其封裝系列有0402/0603/0805/1206等。又如Littelfuse公司最近推出一種0402封裝的快速響應SMD熔斷器,其外形結構與尺寸如圖1所示,性能曲線如圖2所示，它是在環氧樹脂基體上制作金屬薄膜熔斷絲,聚合物包封。當負荷電流為額定電流的200％時,斷開時間為5s,當為300％時,斷開時間不超過0.2s。斷開后的隔離電阻大于10kΩ。工作溫度范圍為－55℃～90℃。其特點是瞬間電流響應速度快、額定電流精確。該公司的0603封裝系列的性能為0.25A/32V～5A/32V;1206系列為0.5A/63V～3A/32V。AVX公司在氧化鋁陶瓷基體上制作金屬簿膜熔斷絲的AccuGuard系列SMD熔斷器，封裝尺寸為0402/0603/0805/1206,從0.25A/32V至3A/63V。BUSSMANN、WICKMANN、Schurter等公司也有同類產品供用戶選擇,這類熔斷器可用于高檔電腦、電信、數據傳送系統,為關鍵的IC和重要的電路部位提供過流保護。
3.3高可靠厚膜固態熔斷器
這是美國AEM公司的專利產品,有多種規格,從低壓到高壓,目前最高電壓可達DC660V/100A，完全符合MILPRF23419/12(即FM12)的要求,并保持了多年零故障的優異記錄。AEM公司是世界上唯一被美國航天總署NASA認證的FM12型高可靠熔斷器生產廠家,也被列入美國國防部QPL表。這種高可靠固態熔斷器主要用于航天和軍事裝置。休斯公司、馬丁公司、TRW等歐、美、日著名宇航公司均采用這種產品。
這種固態熔斷器分引線式和片式兩種類型。它是在陶瓷基體上用厚膜工藝制備設定形狀的特殊合金導電帶,這種合金導電帶的電阻具有正溫度系數。用特殊的樹脂包封，圖3是其結構示意圖。這種FM12型高可靠固態熔斷器具有以下特點:其熔斷特性與周圍環境的真空度無關(FM08型高可靠陶瓷管－金屬絲熔斷器與周圍真空度有密切關系);由于是固態結構,可承受強烈的振動,達30g/3kHz(FM08型為10g/2kHz),耐沖擊達1.5kg(FM08為100g);在過電流熔斷時,由于特殊樹脂的嚴密包封,不會發生爆炸現象,也不會出現電弧、氣體、微顆粒等污染;結構緊湊，體積小。表1是陶瓷管-金屬絲型熔斷器(FM08A)的特性數據。表2和圖4是美國AEM公司生產的高可靠固態熔斷器(FM12)的典型數據和特性曲線。可以看出,AEM生產的這種熔斷器,不僅規定了最大斷開時間(ClearingTime)，而且給出了最小斷開時間。其它廠家的熔斷器幾乎都不提供這一數據,而在設計某些要求嚴格的電路時需要這些數據。
3.4有機高分子聚合物自恢復型保險絲
這類保險絲是近年由美國Raychem公司最先開發的新型過電流保護元件,它實質上是一個正溫度系數熱敏電阻器。它是在有機高分子聚合物中加入導電顆粒而構成的，其特點是具有自恢復性,即過電流之后又恢復到常態,不必更換,也不必一定將它安置在電子產品中手可觸及的部位，因而給用戶帶來許多便利,很受歡迎。不足之處是阻抗較高。一般說來,在電路正常狀態下,其阻抗比相同的金屬型熔斷器較高,這樣,就增加了電子產品的電能消耗。在某些電路中,由于其電阻大而產生熱噪聲。與金屬型熔斷器比較,其響應速度慢，存在老化現象。在個別電路中,當發生過電流時,它起保護作用,使電路回到正常狀態。但若引發過電流的故障原因未被及時排除,則會出現過電流狀態——正常狀態——過電流狀態的反復循環,從而給電路帶來麻煩，需要與其它保護元件組合使用。雖然這種過電流保護元件還有一些不足之處,但它的自恢復性優點是很吸引人的,各生產廠家都在研究改進,主要方向是提高耐電壓/電流、降低電阻、提高強度和穩定性,并日益取得進展。如Raychem公司最新的miniSMDM75/24型,24V,40A及miniSMDM260型,8V,40A。尺寸為4.5mm×3.2mm，適用于鍵盤、鼠標器、主機板、顯示器、電源適配器等。TycoElectronics公司生產TSL250080型產品,它可以承受2/10μs,800V,100A的放電,專用于建筑物內部的電信系統,以防止120V或250V交流電故障。
3．5PTCR和NTCR
PTCR和NTCR是己被廣泛應用的過電流保護和溫控元件。一般說來,作為電路保護元件,大多采用PTCR;而作為溫度控制、溫度補償元件,大多采用NTCR。近年來,除引線型分立元件外,片式PTCR/NTCR具有顯著的優點,發展很快。
3．5．1片式陶瓷PTCR
隨著SMT的發展,片式陶瓷PTCR的需求快速增加。一般的溫度動態范圍在85℃～150℃,精度達±5℃。但由于BaTiO3的固有特性,致使單層型片式PTCR的阻值較高,不能滿足某些電路的要求;疊層型片式PTCR相當于多個很薄的PTCR的并聯,因而不僅能明顯地減少其阻值,而且提高了其熱響應速度。將它以適當方式貼在半導體功率管和IC芯片上,就可以有效地保護這些關鍵器件。若在LCD控制電路中加入PTCR,則可以在寬溫度范圍內保持良好的顯示效果。然而，這種疊層型片式PTCR的制造工藝難度大,目前國內尚處于開發初期，但人們一致認為其發展前景十分廣闊。
3．5．2片式陶瓷NTCR
它的阻值隨著溫度的升高呈現指數形式下降,阻值隨溫度的變化率一般為百分之幾，因而其測溫精度很高,而且結構簡單,使用方便，獲得廣泛應用。特別是近年來,移動通信飛速發展,需用大量的溫補晶體振蕩器,這就為NTCR提供了巨大市場。從結構上講,片式NTCR除了玻璃管封裝形式外，還有單層型和多層型之分。一般熱敏陶瓷材料的電阻率決定于該材料的熱激活能,因而B值高時電阻率也高。所以，單層型NTCR難以同時保持高B值、低電阻的特性,如果將電阻降至300Ω,B值就可降到3000。反之,疊層型片式NTCR卻可以同時實現低電阻和高B值,如SIEMENS公司的C1621型疊層片式NTCR,電阻降到幾十歐姆時,B值仍能保持在3500以上。深圳順絡公司的STH1608型,電阻為100Ω時,B值為3150,為國內一流水平。
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