过流／过热保护用高分子热敏电阻.pdf

第 3 8卷第 4期 2 0 1 0年 4月 塑料工业 CHI NA PLASTI CS I NDUS TRY 过流 过热保护用高分子热敏电阻 郭熙桃，宁凯军(1 华南理T大学丁业技术研究总院，广东 广州 5 1 0 6 4 0；2 金发科技股份有限公司，广东 广州 5 1 0 5 2 0)摘 要：在介绍 高分 子热敏电阻(P P T C)性质、组成及工作原理 的基础上，分析 了 P P T C较其他几种 电流保护装置 的优势，并指 出了 P P T C的应用现状及发展方 向。关键 词：P P T C；原 理；应用与发展 中图分类 号：T Q 3 2 0 7 9 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 5 5 7 7 0(2 0 1 0)0 40 0 0 7 0 3 PPTC f l0 r t h e Pr o t e c t i o n Ag a i ns t Ov e r-c u r r e nt a n d Ov e r-h e a t G U O X i t a o ，N I N G K a i-j u n (1 I n d u s t r i a l T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e，S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0，C h i n a；2 K i n 出 S c i&T e c h C o ，L t d ，G u a n g z h o u 5 1 0 5 2 0，C h i n a)Abs t r a c t：On t he b a s i s o f t h e p r o p e r t i e s i n t r o d u c t i o n，c o mp o s i t i o n a n d wo r ki n g p r i n c i p l e o f P C，t h e a d v a n t a g e o f PP TC wa s a n a l y z e d b y c o mpa r i ng wi t h o t h e r c u r r e n t p r o t e c t o r a l s o t h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f P P TC we r e p o i n t e d o u t Ke y wor ds：PPr C；Pnn c i p l e；Ap p l i c a t i o n a n d De v e l o pme n t 高分子热敏电阻主要是以经过特殊处理的聚合物 树脂(P o l y me r)为基体，掺入导体 而构成，由于具 有正 温度 系数(P o s i t i v e T e m p e r a t u r e C o e ffic i e n t)效 应，而简称为 P F F C。P P T C是 由美 国瑞 侃 R a y c h e m公 司(现被 泰科 T y c o收购)发 明的，T y c o公 司一直 占领着该领域 的 技术制高点，所有 的新技术都是由 T y c o开发的 _ 1 J。到现在为止，T y c o占领 8 0 的市场份额。其他 生产 商包括美 国柏恩 氏 B o u r n s 公 司、台湾聚鼎公 司、美 国 l i t t l e f u s e公 司、台 湾 陆 海、台 湾 宝 电通、韩 国 S h i n w h a、韩 国 C e r a t e c h，国内主要生产厂家是上海维 安、顺 安。1 P P T C性质、组成 及原理 j 1 1 P P T C性质 P P T C最典 型 的性质 是非 线性 P T C效应，所 谓 P T C效应，是指当温度上升时，材料 电阻值增 大，所 有具有类 似金属特性的导体就有正 温度系数 的电阻 值。非线性 P T C效应是指 经过相变 的材料会呈 现出 电阻在狭窄温度范围内急剧增加几个至十几个数量级 的现象，如图 1所示。1 2 P P TC组成 由于 P P T C性质，即 P T C效应是判别其作为过流 保护用热敏电阻好坏 的主要依据，而 P T C效应又与 P C组成有着 内在 的联系，因而对 P I F C组成 的选 择就成为开发 P P T C组件的关键。籁 蕾 温度 图 1 温度 一电阻关系 曲线 F i g 1 Re l a t i o ns h i p o f t e mpe r a t u r e a nd r e s i s t a nc e 基体树脂据报道，在相 同的体系，如果基体的 结晶度高，晶体的尺寸大，结晶完善，则形成连续导 电通路所需要的导电填料用量较少，临界渗渝值也就 越低，在填料用量相等的情况下，材料的导电性就越 强，P T C效应显著。从这点 出发，基体树脂 的结晶性 质就成为选择基体树脂 的重要依据。研究发现，P T C 强度正 比于几种材料 的结晶度，按照结晶度 的大小，P T C强度依次 为 N y l o n l 2N y l o n l 1P V D F聚酯 缩醛树脂。导体作为 P P T C材料 的导体有 多种，常用的如 作者简介：郭熙桃，男，博士，副研究员，研究方向为高分子材料成型加工及功能化。x t g u o s c u t e d u c n 金属粉、V O 、V O 、B A T i O，、炭纤维、炭黑等。2 0 0 6年，美国 R a y c h e m公司成 功解决镍粉易氧化问 题采用镍粉来做填料，推出低 的室温电阻用 P c，现在 比亚迪 8 0 的锂电池产品都 已经采用这种新型 的 P P r r c，事实上，以后的所有的高端 电池应用都会 采用 这种 P P T C。1 3 P P T C工作原 理 P P T C组件主要是 由聚合物及 导电填 料所组成，在正常的操作温度下，聚合物紧密地将 导体束缚在结 晶状的结构内，而形成一条低阻抗的导电通路，如图 2所示。因为 阻抗 相 当 的低，所 以线 路上 流经 P P T C 组件 的电流所产生的热能小，不会改变聚合物的晶体 结构。然而当异常电流发生，导体上所产生的热能便 会将聚合物 由结晶态变成无定形态，体积膨胀，在此 种情况下，导电通路被挤开，导致阻抗迅速提高而限 制异常电流流过 P t r I C组件。当异常电流消失后，导 体通路又会再度结合成为低阻抗。P P T C由于具有类似金属的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件，其使用方法像普通 保险丝一样，通常被串联在 电路 中(如 图 3所示)，交直流均可，其封装形式有插件、滚动条、芯片、盘 片机表贴等。电极 导电通路 不导电的聚 合物基体 导 电通路 图 2 P P T c工作原理 Fi g 2 Pr i n c i p l e o f PPT C 图3 P P T c工作电路 F i g 3 Ci r c ui t o f PP TC 当电路正常工作 时，热敏电阻温度与室温相近，电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电 路因故障而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增 加而导致温度上升，过多的热量便会使聚合物由结晶 状变成无定形态，这时束缚在聚合物树脂上的导体便 会分离，阻抗迅速提高，使通过的电流在 0 1 m s内 变小，电路如同断开，达到保护 目的；但过流故障排 除后，导体链又重新建立，并 自动恢 复成低 阻抗导 体，表现出高分子热敏电阻动作后的恢复特性。P P T C是一种直热式、阶跃型热敏电阻，其 电阻 变化过程与 自身的发热和散热情况有关，因而其维持 电流、动作电流及动作时间受环境温度影响。图4为 热敏电阻典型的维持电流、动作电流与环境温度的关 系示意图。当环境 温度 和电流处于 A区时，热敏电 阻发热功率大于散热功率而会动作；当环境温度和电 流处于 B区时发热 功率小 于散热功率，热敏电阻将 长期处于不动作状 态；当环境 温度 和电流处于 C区 时，热敏电阻的散热功率与发热功率接近，因而可能 动作也可能不动作。褂 媛 韫 厦 图4 维持、动作 电流与温度的关 系 Fi g 4 Re l a t i o n s h i p o f ma i n t a i n i n ga c t i o n c u r r e n t a n d t e mp e r a t u r e 2 P P T C较其他 电流保护装置之优势分析 电流保护装置一般有四种：保险丝、双金属电路 断路器、高分子热敏 电阻(P P T c)、陶瓷热敏电阻(C P T C)。由 P P T C的性质及原理可知，与其他几种 电流保护装置相 比，P C具有独特的优势。与保险丝相 比，P P T C的可恢复功能无 与伦 比，并且这种恢复过程可重复数千次，而保险丝在提供过 流保护之后，就必须用另外一只进行替换。P P T C在事 故未 被排 除 以前 一直 处 于关 断 状态 而 不会复位，但双金属 电路断路器在事故仍然存在时 自 身就能复位，这就可能导致在复位时产生电磁波及火 花。同时，在电路处于故障条件下重新接通电路可能 损坏设备，因而不安全。P P T C则能够一直保持高 电 阻状 态直 到故 障排除。P P r r C与 C P T C的不同在于元件的初始阻值、动 作时间(对事故事件的反应 时间)以及尺寸大小的 差别。具有 相 同维 持 电流 的 P F F C与 C I C相 比，p I：r F C价格 低廉、尺寸更 小、阻值更 低，。伺 时反应 第 3 8卷第 4期 郭熙桃 等：过流 过热保护用 高分子热敏电阻 9 更快。3 P P T C应 用及发展 3 1 P P T C 的应用 P P T C最主要功能是为电流提供过载保护，广泛 应用于电池、通 讯、计 算机、家电、汽车 电子等领 域。部分应用示例如下：电源保护P P T C器件一直以来应用于电源直流 输出端的过载和短路保护，用于保护由于过 电流状态 所引发的电源故障。电路保护如在 I E E E 1 3 9 4应用 中，为计算机、外设和便携式设备提供可复位式 电路保护；在汽车多 媒体应用 中，为连接 到汽 车 网络 的 G P S定位设 备、C D换片机、音响与其它 电子外设 的输 入输 出 口提供 电路保护等。过热保护 由于 P P T c保护器件本身在受热 时，在较低 电流时它便进入高阻状态，因而除 了提供电流 过载保护外，这类器件还能提供过热保护。如在电池 组保护中，防止电池组由于过充导致电池过热而造成 电池破裂、漏液、冒烟、甚至燃烧等。电机失速保护运动机械均有可能出现堵塞或断 裂故障，并可导致电机失速。在电机失速时继续供给 电源会 导致 电机 的损坏 和 或驱 动装 置 的损毁。将 P g I C器件与电机驱动器 串联起来，可 以保护 电机和 驱动电子电路，防止在失速或负载过大的状态下系统 发生故障。3 2 P P T C发 展方 向 普通 P P T C的耐电压值在 1 23 0 V之 间，如何 扩展其耐压值区问，促进 P P T C组件在更 广阔领域的 应 用 就成 为 P V I C材料 发展 的 主要方 向。1)耐 高压 目前，P P T C主 要 用 于 一 些 低 压 情 况 下 的 过 流、过热保护，如与 C P T C相 比，P P T C的耐 电压要低 很 多。最近十年，P P T C向耐高压方向的发展非常迅速，耐压从 3 06 0 V，再到现在的 6 0 0 V。2)低电阻、低漏 电流 为满足电子产品小型化的需要，P P T C的另一 个 发展方 向是低电阻、低漏 电流。从而在保证电路正常 工作的条件下，P P T C消耗更少的能量。如美 国 R a y c l e ln公司推出的以镍粉作导体的新型 P P T c，其耐压 值低至 68 V。4 结语 作为电子元器件用新型过流 过热保护 P c，在 近年来得 到了长足的发展。而 随着 电子产 品 向小 型 化、精密化方向发展，以及为了扩展 P c在中高压 场合下 的应用，对 P C也提 出了新的挑战与要求。但从 P C产品市场占有率及技术上看，美国泰科公 司均 占据了绝对主导地位，国内企业如何应对机遇与 挑 战，是 目前 面1 临的一个 现实 而严 峻 的问题。参考文献 I L E S L E Y K MO V和 P P T C器件实现 I E C 6 1 0 0 0 45兼 容性 J 世界电子元器件，2 0 0 7 1 0)：4 5 4 6 2 T Y C O E l e c t r o n i c s P P T C P r o t e c t i o n D e v i c e s U s e d i n P o w e r T r a n s f o r m e r f J E l e c t r o n P r o d C h i n a，2 0 0 3(5)：4 6 3 泰科电子P P T C保护器件在电源转换器中的应用 J 世界 电子元器件，2 0 0 2(5)：2 52 6 4 WH I T E H，G R O V E R A R e l i a b i l i t y o f s u rf a c e m o u n t P P T C c i r c u i t p r o t e c t i o n d e v i c e s C P h i l a d e l p h i a：A n n u a l R e l i a b i l i t y a n d Ma i n t a i n a b i l i t y S y mp o s i u m，1 9 9 7 5 H A R D Y J T，H A N S E N E，M A T F H I E S E N M，e t a 1 P o l y me r i e p o s i t i v e t e mpe r at u r e c o e f f i c i e n t e l e c t r i c a l ci r c u i t p r o t e c t i o n d e v i c e ma n uf a c t ur i n g me t h o d e g r mo t o r i nv o l v e s i n j e c t i n g P P T C m a t e r i a l b e t w e e n t w o s u rf a c e t r e a t e d c o n d u c t i v e e l e c t r o d e s i n mo l d：WO，2 0 0 6 0 7 6 4 8 3(A 1)P 2 00 6072 O 6 刘锋，周持兴，侯李明，等电子束辐照对 P V D F C B导 电复合体 系性能的影响 J 高分 子材料科学与工程，2 0 0 5，2I(5)：1 2 51 2 8 7 刘锋，周持 兴，侯 李 明，等聚合 物基 正温度 系数材 料 的研究进展 J 中国塑料，2 0 0 5，1 9(3)：7 1 2 8 徐捷 P P T C器件在 电机保护 电路 中的应用 J 中国棉 花加工，2 0 0 6(5)：2 72 9 9 泰科电子电源组件部P o l y S w i t c h P P T C器件在汽车电子 I E E E 1 3 9 4网 络 中 的应 用 J 电 子 设 计 应 用，2 0 0 4 (6)：8 1 0 L I N S MA N K P P T C o f f e r s n e w o p t i o n f o r c i r c u i t p r o t e c t i o n J P o w e r E l e c t r o n T e c h n o 1 2 0 0 3，2 9(7)：5 2 5 5 1 1 K A O L MO V a n d P P T C d e v i c e s e n a b l e I E C 6 1 0 0 0 45 c o m p l i a n c e J P o w e r E l e c t r o n T e c h n o l，2 0 0 6，3 2 (7)：5 55 4 1 2 G R E T Z K E WU s e o f p o l y s w i t c h P P T C p r o t e c t i o n i n a u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n s C G e r ma n：1 A a c h e n e r E l e c t r o n-i c s Sy mp o s i u m，20 02 1 3 L i a u S S o l i d s t a t e e l e c t r o l y t i c：c a p a c i t o r w i t h o v e r h e a t p r o t e c t i o n f u n c t i o n s：T w，2 8 5 3 8 4(B)P 2 0 0 70 8 1 1 1 4 G O L U B O V I C B，B E C K E R P，MO O R E B C i r c u i t p r o t e e t i o n d e v i c e h a v i n g t h e r mal1)r e o u p l e d MOV o v e r v o l t a g e e l e me n t a n d PP TC c o v e c u r r e nt e l e me n t：US，20 0 70 25 0 4 4(A 1)P 1 2 0 0 7 0 2一o 1 (下转第 1 3页)第 3 8卷第 4期 杨建等：双酚 A型聚芳醚腈共聚物的合成与性 能 1 3 (上接第 6页)a c i d o n i n t u m e s c e n t fl a me r e t a r d a n t p o l y p r o p y l e n e J P o l y m D e g r a d S t a b，2 0 0 1，7 4(2)：2 5 5 2 6 1 2 9 wu Q i a n g，Q U B a u n A n e w s y n e r g i s t f o r i n t u m e s c e n t fl a me r e t a r d a n t p o l y p r o p y l e n e J C h i n J P o l y m S c i，2 0 0 2，2 0(4)：3 7 73 8 0 3 0 吕艳红，杨伟，冯建 民，等含硅化合物与膨胀 阻燃剂 协 同阻燃聚丙烯 J 高分 子材料科 学与 _ 程，2 0 0 9，2 5(6)：5 35 5 3 1 C H E N X i l e i，J I A O C h u a n me i S y n e r g i s t i c e f f e c t s o f h y d r o x y s i l i c o n e o i l o n i n t u me s c e n t flame r e t a r d a nt p o l y p r o p y l e n e s y s t e m J J P o l y m R e s，2 0 0 9，1 6(5)：5 3 7 5 43 3 2 B O U R B 1 G O T S，L E B R A S M，D E L O B E L R，e t a 1 4 A z e o l i t e s y n e r g i s t i c a g e n t i n ne w fla me r e t a r d a nt i nt ume s c e nt f o r mu l a t i o ns o f p o l y e t h y l e ni c p o l y me r s St u dy o f t h e e f f e c t o f t h e c o n s t i t u e n t mo n o m e r s J P o l y m D e g r a d S t a b，1 9 9 6，5 4(2 3)：2 7 5 2 8 7 3 3 韦平，王建祺分子筛对聚丙烯膨胀型阻燃体系热降解 行为的研究 J 高分子材料科学与工程，2 0 0 2，1 8 (5)：1 2 41 2 7 3 4 郝冬梅，刘彦明，林倬仕，等分子筛在无卤膨胀阻燃 体系中的协效催化作用 J 工程塑料应 用，2 0 0 8，3 6(3)：1 71 9 3 5 王岩，曾幸荣4 A分子筛对三聚氰胺磷酸盐 季戊四醇 阻燃 P P性能 的影 响 J 塑料 工 业，2 0 0 7，3 5(5)：6 264 3 6 李艳涛，李斌，戴进峰分子筛和 S i O i 对含三嗪大分 子膨胀阻燃聚丙烯体系 的阻燃协效性 J 高分子材 料科学与工程，2 0 0 9，2 5(6)：5 6 5 9 3 7 马志领，张伟燕聚丙烯 尼龙 纳米蒙脱土膨胀型阻燃 材料 的研究 J 塑 料 丁 业，2 0 0 4，3 2(1 2)：4 0 4 2 3 8 钟明强，蔡伟乐，张玉庆，等纳米蒙脱土和尼龙 6对 聚丙烯无卤体系 协同阻燃 作用 J 塑料工业，2 0 0 7，3 5(1 2)：4 34 5 3 9 郑辉，胡珊，严春杰，等阻燃聚丙烯 蒙脱土纳米复 合材料的制备及性能研究 J 化T新型材料，2 0 0 7，3 5(1 0)：7 071 4 0 T A N G Y o n g，H U Y u a n，WA N G S h a o f e n g I n t u me s c e n t fla me r e t a r d a nt mo nt mo r i l l o n i t e s y n e r g i s m i n p o l y p r o py l e n e l a y e r e d s i l i c a t e n a n o c o mp o s i t e s J P o l y m I n t，2 0 0 3，5 2 (8)：1 3 9 61 4 0 0 4 1 T A N G Y o n g，HU Y u a n，L I B a o g u a n g P o l y p r o p y l e n e mon t mo r i l l o ni t e n a n o c o mpo s i t e s a n d i n t ume s c e nt，fla me r e t a r d a n t mo n t mo r i l l o n i t e s y n e r g i s m i n po l y p r o p y l e n e n a n o c o m p o s i t e s J J P o l y m S c i，P a r t A：P o l y m C h e m，2 0 0 4，4 2(2 3)：61 6 36 1 7 3 4 2 韩俊峰，王德义，刘云，等一种膨胀阻燃 P P体系及 其燃烧性能 J 高分子材料科学与工程，2 0 0 9，2 5 (3)：1 3 81 41 4 3 瞿英俊，许向彬，赵博，等膨胀阻燃N 蒙脱土协同 作用对 聚丙烯 性 能 的影 响工 程 塑料 应用，2 0 0 9，3 7 2)：2 8 3 0 4 4 K R U S I C P J，WA S S E R M A N E，K E I Z E R P N，e t a 1 R a d i c a l r e a c t i o n s o f C 6 0 J S c i e n c e，1 9 9 1，2 5 4 (5 0 3 5)：l 1 8 31 1 8 5 4 5 S O N G P i n g a n，L I U H u i，S H E N Y u，e t a 1 F a b r i c a t i o n o f d e n d r i me r l i k e f u l l e r e n e(C一 6 0)一 d e c o r a t e d o l i g o me r i e i n t u me s c e n t fl a me r e t a r d a n t for r e d u c i n g t h e t h e r ma l o x i d a t i o n a n d fl a m ma b i l i t y o f p o l y p r o p y l e n e n a n o c o mp o s i t e s J J Ma t e r Ch e m，2 0 0 9，1 9(9)：1 3 0 51 3 1 3(本文于 2 0 0 91 1 1 7收到)(上接第 9页)1 5 MO N T O Y A W，N A V A R R O L S u r f a c e mo u n t m u l t i l a y e r e l e c t r i c a l c i r c u i t pr o t e c t i o n d e v i c e wi t h a c t i v e e l e me nt b e t w e e n P P T C l a y e r s：U S，2 0 0 6 2 1 5 3 4 2(A1)P 2 0 0 6 0928 1 6 G A L L A MP c d e v i c e s e n h a n c e p r o t e c t i o n o f L i c h e mi s t r y b a s e d c e l L p a c k c i r c u i t s J E l e c t r o n E n g P r o d Wo r l d，2 0 0 4(2 4)：8 2 8 3 1 7 1 8 MI K 0 L A J c z A K A P P T C元件为 电子 设备提供价 廉可靠 的 端 口保 护 J 电 子 产 品 世 界，2 0 0 3(1 4)：6 0 62 MI KOL AJ C Z AK AJ ONE S L A P P T C e l e me n t s i n I DB一 1 3 9 4 b r o a d b a n d n e t w o r k f v e h i c l e e l e c t r o n i c s y s t e ms J E l e k t r o n i k，2 0 0 3，5 2(3)：4 0 4 1 (本文于 2 0 0 91 21 6收到)