采用LVR（PPTC）器件保护线路变压器
Using Raychem Circuit Protection′s PolySwitch LVR PPTC devices to protect
linear transformers in line voltage conversion circuits

1前言
要保护线路变压器免受过电流、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。
泰科电子公司最近推出了Raychem电路保护集团的PolySwitch LVR器件，设计用于为线路变压器的初级和次级电子电路提供保护。LVR技术采用众所周知的、并经过实践验证的PolySwitch器件，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高温损坏。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[注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。
线路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。
[注1]：警告：在故障状态下，所有LVR器件均处于一种高阻抗状态下。此时设备仍能正常工作，但仍有可能导致LVR器件产生危险性的电压。LVR器件因设备故障动作，必须在电路中的电源断开且故障状态消除了一段时间后，才能冷却下来，并恢复其低阻抗的状态。

2 LVR器件能够提供过电流保护
变压器次级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增大，线圈温度上升，导致绝缘等级下降和故障的产生。
在接入变压器初级线路时，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。这样就能限制初级电流，同样也限制了次级电流，保护次级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。

3 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，变压器初级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加上过电流保护器件之外，还要在变压器初级安装热保险丝的原因。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组合到变压器内。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，如果采用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（100℃至120℃） 。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220℃，这不适于线圈绝缘额定温度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、或反复加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，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路变压器的初级提供过电流和过热保护的首选的解决方案。

4 LVR器件
LVR系列的PolySwitch可复位器件的额定电压为240VAC，最高能耐受高达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。

将LVR器件用在线路变压器电路中时，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。
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。
将LVR器件组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。

5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。

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。

6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。