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抑制浪涌功率型NTC热敏电阻器

发布时间:2011/5/6    访问人数:7697次

  电子电器设备特别是大功率的电子设备,在开机时会不可避免地产生一个数十倍甚至百倍于正常工作电流的尖峰浪涌电流,每当这种电流出现的时候,往往会将电路中的一些器件烧毁。轻则,会造成电子设备的失效;重则,会造成整个电路和设备的损坏,产生不可弥补的损失。为了避免在开机的瞬间产生的浪涌电流对电子设备造成的危害,人们研究出许多针对浪涌电流保护的方法。

  在电源回路中使用功率型NTC热敏电阻器元件,是抑制开机浪涌电流保护电子设备免遭破坏的最为有效、最为经济、最为简便的措施。在电子设备的电源回路中,串接一个或数个功率型NTC热敏电阻器,利用功率型热敏电阻器独特的阻流特性:热敏电阻体在常温下高电阻值和热惯性引起的热延时效应,能有效地抑制开机时电源电路(特别是高压大电容滤波电路)中的尖峰浪涌电流,并且在完成抑制浪涌电流作用后,由于通过其电流(包括浪涌电流和电路正常工作电流)的持续作用下的自热效应,引起电阻体温升,热敏电阻器的电阻值将下降到非常小的程度,产生的压降低,所消耗的功率可以忽略不计,不会对正常的工作电流造成影响。图1给出了有无功率型NTC热敏电阻器抑制浪涌电流电路时浪涌电流的波形。


                       图1  浪涌电流的波形

  由于功率型NTC热敏电阻器用作浪涌电流抑制器件具有线路简单、通流能力大、自身功耗小、可靠性高、成本低等优点,因而被广泛应用于转换电源、开关电源、UPS电源、电加热器、电子节能灯、电子镇流器等各种电子装置电源电路的浪涌电流保护中以及各类显像管、显示器、白炽灯及其它照明灯具的灯丝保护中。

  根据不同电路的应用要求,应选择不同规格的功率型NTC热敏电阻器,选用方法是:用户根据电路设计中允许的最大浪涌电流和正常工作电流值,以及生产厂商提供的NTC热敏电阻器最大工作电流Imax、常温标称阻值R25、V-I曲线和R-T曲线等主要参数,就可以很方便地确定需选用的功率热敏电阻型号。如图2所示的电路中,如果输出功率为P0,转换效率为η,线路输入电压为E,整流输出电压为E1,允许最大浪涌电流为IS,则可估算出RT的标称阻值R25及工作电流I的大小,其计算公式为:

R25 = •E / IS               ( 1 )
I =P0 / E1•η               ( 2 )

  实际选用时,只要保证所选功率型NTC热敏电阻器的标称阻值略大于其计算值、功率型热敏电阻的最大工作电流大于其计算出来的工作电流I即可。

图2  NTC热敏电阻器应用图

  功率型NTC热敏电阻器作为一种电源回路保护器件,往往使用在高温大电流场合,其性能的好坏又直接影响到整机的寿命和性能,所以高性能功率型NTC热敏电阻器是人们追求的目标。高性能功率型NTC热敏电阻器具有材料常数(B值)大,残余电阻小、承受电流大、工作能力强、性能可靠、寿命长等特点。

(1) 材料常数(B值)大、残余电阻小

  材料常数(B值)是热敏电阻器的热敏指数,它被定义为两个温度下零功率电阻值的自然对数之差与这两个温度倒数之差的比值。即:

B = In RT1/RT2/(1/T1-1/T2)

  图3所示,两个阻值R25相同的热敏电阻器,一个B值为B1,另一个B值为B2,且B1>B2。热敏电阻器工作时,热敏电阻器会在通过的电流作用下处于热平衡状态,B1的热敏电阻器的残余电阻要比B2的热敏电阻器小,所以大B值的热敏电阻器要比小B值的热敏电阻器,反应的速度要快,消耗的功率也要小,因此具有更强的抑制浪涌电流能力。


  图3、不同B值热敏电阻器阻值对比图

  (2)承受电流大、工作能力强

功率型热敏电阻器的最大稳态电流,是指允许施加在功率型热敏电阻器上的最大连续电流,它是表现功率型热敏电阻器承受电流和工作能力的重要指标。功率型热敏电阻器承受电流能力的关键因素是其陶瓷体芯片,这与陶瓷材质的均匀性和致密性有着直接的关系。在相同的体积下所能承受的电流越大,或所承受的电流相同而体积越小,表明产品的性能越优良。元件的设计及生产工艺,特别是材料配方、烧结方式、封装形式等,对功率型热敏电阻器承受大电流的能力有着至关重要的影响。

  (3)可靠性高、寿命长

  可靠性是热敏电阻器质量的一个重要指标,可靠性高、寿命长是高性能功率型NTC热敏电阻器的显著标志。阻值漂移变大是功率型热敏电阻器的基本失效模式。热敏电阻器在电路实际使用时,往往由于可靠性差,阻值漂移变大后,根据焦耳定律所示,即

Q  =  I2•R

  在相同的通过电流下,由于阻值变大,将产生更多的热量,使热敏电阻器的温度比正常状态下高出许多,并且将产生恶性循环使热敏电阻器过早失效,从而影响整个电源回路的可靠性。可见,功率型NTC热敏电阻器的高可靠性、长寿功率型NTC热敏电阻器作为一种特殊陶瓷敏感元件,其性能的优劣与元件的设计及生产工艺有着直接的关系。下面就简单介绍一下我公司为了制造出高性能的功率型NTC热敏电阻器,所采用的生产工艺及技术手段。

  (1)高性能NTC瓷料配方设计技术。适宜作高性能功率型NTC热敏电阻器的瓷料应具备:①高B值低阻值且阻值和B值受配方和烧成工艺正常波动的影响小;②在制造NTC的全过程中不会发生变态,工艺宽容度高;③耐电流冲击力强,稳定度高;④在高温大电流状况下,有较高的机械强度。为达到以上目的,我公司瓷料配方的设计采用了八元系过渡金属氧化物和渗杂元素,实验的基本方法是优选法和正交试验法。通过实验数据的大量积累,初步建立了各种材料特性参数的数据库,再由计算机分析计算,进行模拟实验,从而制定出预期性能的材料配方及工艺条件。最后,通过实际的工艺操作对结果进行反复修正,直到选择出符合以上要求的基本配方体系。这样就大大减少了过去在配方设计上的盲目性,缩短了配方的研制周期。由于建立了各种材料的特性参数数据库,采用了计算机辅助设计和模拟实验方法,也为以后瓷料配方的设计提供了全新的研究方向和科研手段。通过以上方法,我公司已成功地研制出高性能和较低成本的功率型NTC热敏电阻器的系列化配方体系,并已经投入使用。

  (2)瓷料粉体制备技术。我公司已采用较搅拌球磨更为先进的微米级机械混合球磨技术制备陶瓷粉体的新工艺,该工艺主要特点如下:(1)球磨机的研磨盘采用三偏心结构,按一定顺序排列,研磨介质分布均匀,研磨效率高,产品细度可以达到微米级或亚微米级,完全满足产品性能的需要;(2)分离系统采用间隙分离器,过流面积大,分离效果好;(3)带强制冷却液的双端面机械密封组件,密封效果好,运行可靠;(4)研磨筒内装有研磨介质,磨细后的粉料经动态分离器排出后又自动返回循环筒,可以单台连续或多台串联连续进行多次循环研磨。结果证明:采取上述工艺方法制备的陶瓷粉体具有粒度小、纯度高、合成温度低、晶体均匀、一致性好且粉体不易受到污染,生产工艺过程大大减化,生产周期大大缩短,制粉成本也大大降低,取得了优良的效果。

  (3)电阻芯片烧结技术。由于材料电导率随氧分压的不同而不同,烧结气氛控制对电阻芯片的一致性、稳定性、减少内部缺陷,起到至关重要的作用。我公司在烧结过程由计算机自动控制的基础上,采用气氛控制烧结新工艺,并通过先预烧,再烧结,复式烧结等技术,达到了电阻芯片的最佳烧结效果。分析表明这种烧结方法电阻芯片的体显微结构呈现晶料细小、均匀、气孔少且分布均匀的特点,芯片的致密度、内部缺陷、阻值、B值的稳定性、合格率,一致性等很多问题都得到了解决。

  (4)产品无铅电极技术。在热敏电阻器中,电极起着极为重要的作用。对电极的要求是具有良好的导电性能、欧姆接触性能、附着力牢固、耐高温、耐腐蚀、耐氧化等。但是无铅银浆制备大功率NTC热敏电阻电极存在缺陷:①电极层的附着力不够、易脱落,器件的废品率较高;②银离子迁移将可能影响热敏电阻性能的长期稳定性,难以制造高稳定性的热敏电阻元件。针对以上问题,我公司对功率型热敏电阻器的电极制备展开了研究。在电极制成产品后,对电极的性能进行以下各种试验和测试:①附着力试验;②电学特性试验,如电导率、电接触特性(欧姆性);③温度老化试验:在高温环境下电极老化对元件性能的影响;④电极接触的显微观察分析。通过改进焊接工艺,并和有关合作单位对电极材料进行联合攻关,我公司已完成了有铅电极到无铅电极的替代。

  (5)产品的稳定性技术。产品的稳定性是产品性能的一个重要方面。稳定技术中对产品的稳定化处理,就是通过有效手段,消除工艺过程中因高温和机械加工的应力作用和在阻体内形成的非平衡缺陷,加速稳定化过程。以改变在产品生产过程中,产品中粒子迁移跟不上温度变化速率,使产品中组分呈不均匀分布,性能不稳定的现象。我公司通过对产品阻值与时间变化的热老化曲线进行研究和实验,确定了产品生产过程中的稳定性处理规范,确保了产品的高稳定性。

  (6)规模化大生产技术。

  (一)我公司与协作单位共同合作,研制成功具有国际领先水平的功率型NTC热敏电阻器自动化生产线。该生产线具有:(a)自动化程度高,采用PLC作为控制系统,大量运用光电传感器作为检测手段及触摸界面,实现全自动化生产;(b)操作界面人性化、生产效率高,该设备集引线成型、芯片插入、无铅焊接的点焊技术、涂装、自动测试、包装功能为一体,大大提高生产效率;(c)制程工艺条件控制精准,采用先进机械设计,保证制品尺寸精度,关键工艺温度采用智能PID调节控制,保证工艺条件的稳定。

  (二)自主研发成功了热敏电阻器电流自动冲击仪。该仪器是一种模拟实际使用状况通过电容充电对热敏电阻进行大电流冲击的测试仪器,采用了PLC可编程控制器,可进行自动化电流冲击。当热敏电阻在工艺生产中存在基体结构缺陷时,导致产品耐电流能力小于最大设计值时,通过测试仪可对产品进行筛选。我公司研制的大电流冲击测试仪,其最大特点是快速高效,冲击电流、冲击时间、冲击间隔可以精确控制,适用于长时间连续操作。该仪器已获得了国家专利。

  我公司功率型NTC热敏电阻器自动化大规模生产技术的应用,不仅大大提高了产品的一致性和稳定性,减少了人为因素对产品性能的影响,有效地提高了产品的质量,而且还大大提高了生产工效,使生产成本得到有效地控制。

  广泛采用的新工艺、新技术,大大缩小了我公司同国外先进技术水平的差距,为高性能大功率NTC热敏电阻器的大批量生产奠定了坚实的基础。

  我公司功率型NTC热敏电阻器2004年被评为高新技术产品,公司也于2005年被认定为高新技术企业,公司还参与了政府的多项科技创新基金项目以及国家火炬计划等。以上述技术为基础研发的MF51E型热敏电阻器,还获得2007年度国家科技部创新基金的无偿资助。公司拥有技术、工艺、设备、制造、产品等一系列国家专利。多种型号的NTC热敏电阻器产品被认定为高新技术产品。

  先进的产品设计、持续的科技攻关、严格的质量管控、科学的绩效考评和成本核定、自动化的规模化大生产,是我公司能够始终保持很强的竞争力,向客户提供优质低价高性能的产品,在国内外众多同类企业中脱颖而出的法宝。

  我公司从2002年成立至今近6年时间,功率型NTC热敏电阻的生产能力,从每月100万只发展到4000万只,已成为国内最大的功率型NTC热敏电阻器的专业制造商。目前我公司生产的功率型NTC热敏电阻器,价格仅为国内外资和合资企业的50~80%,而技术性能、技术指标则完全达到国外先进产品的水平,远远高于国内同类产品,是迄今为止唯一通过UL认证和CQC认证的国内品牌。

  最近,我公司的高性能超大功率NTC热敏电阻器已研制成功并批量投产,它将满足超大电流电路中抑制浪涌电流的需要,从而提高超大功率电源电路的可靠性。我们愿意通过各种途径和方式,实现和保持与客户的密切沟通和交流,生产出用户满意的产品,满足用户更高更新的需求,为广大用户更好地做好配套服务,为促进整个电源行业的发展,为提升整个行业的技术水平,做出应有的贡献! 

                                            2007.10

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