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如何使用NTC熱敏電阻限制浪涌電流?

發(fā)布時(shí)間:2018-06-12 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電源電路通電的瞬間,外部電源的能量首先轉(zhuǎn)移到輸入濾波電容上。該瞬間產(chǎn)生很大的浪涌電流,如果不加以限制,很容易損壞保險(xiǎn)絲以及后續(xù)的整流二極管等周邊電子元器件。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮如何限制浪涌電流。在本文中,我們將首先介紹如何使用NTC熱敏電阻限制浪涌電流,然后介紹如何選擇NTC熱敏電阻,最后介紹如何使用繼電器進(jìn)一步減小NTC熱敏電阻上的功耗。


限制浪涌電流,為什么用NTC?
 
 
NTC (負(fù)溫度系數(shù)) 熱敏電阻是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。
 
下圖1是典型的AC-DC電源電路前端,圖中Z1為NTC熱敏電阻。該電阻在電源通電時(shí)能起到瞬間限流保護(hù)的作用。
 
電源電路通電的瞬間,可以看成是對(duì)濾波電容(如下圖1中的C1、C2)充電的過程。涌浪電流的大小可以用電壓除以濾波電容的等效串聯(lián)電阻來估算
 
 
電流值越大,對(duì)周邊電路的破壞力越大。
 
為了解決這一問題,最簡單方法加一個(gè)NTC熱敏電阻(如下圖1中的Z1)來減小涌浪電流的大小,此時(shí)通電瞬間的浪涌電阻相當(dāng)于電壓除以NTC熱敏電阻與濾波電容的等效串聯(lián)電阻之和
 
 
比如使用一個(gè)25℃時(shí)為10Ω的NTC熱敏電阻,假設(shè)濾波電容的等效串聯(lián)電阻為1Ω,那么浪涌電流大小將相應(yīng)降到十分之一左右??梢奛TC熱敏電阻的阻值越大,限制浪涌電流的效果越好。
 
 
圖1,AC-DC電源電路前端
 
當(dāng)然NTC熱敏電阻的阻值并不是越大越好。阻值越大,消耗的功耗越大。負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻很好的平衡了限制浪涌電流以及功耗。
 
對(duì)于一個(gè)100W的電源電路來說,假設(shè)使用一個(gè)25℃時(shí)為10Ω的NTC熱敏電阻。 在剛接通電源,環(huán)境溫度25℃條件下,NTC熱敏電阻將會(huì)有2W左右的功率損耗:
 
 
然后隨著電流流過NTC熱敏電阻,溫度逐漸升高。假設(shè)NTC熱敏電阻升溫到85℃,電阻降到2Ω左右, 在NTC熱敏電阻上的損耗將降到0.4W左右。如下圖
 
 
NTC熱敏電阻如何選型?
 
Digi-Key 網(wǎng)站列出了很多NTC熱敏電阻的參數(shù),其中“25℃的歐姆值”與B值是兩個(gè)很重要的參數(shù)。“25℃的歐姆值”決定了NTC熱敏電阻在電源電路通電瞬間的限流能力。而根據(jù)B值可以計(jì)算出NTC熱敏電阻達(dá)到最終溫度時(shí)的電阻值。
 
Digi-Key NTC熱敏電阻
 
 
圖2,Digi-Key網(wǎng)站NTC參數(shù)比較與篩選
 
那么如何進(jìn)行B的選擇與計(jì)算呢?B值范圍 (K) 是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù),反映了兩個(gè)溫度之間的電阻變化。
 
它被定義為兩個(gè)溫度下零功率電阻值的自然對(duì)數(shù)之差與這個(gè)溫度倒數(shù)之差的比值。
 
 
從上面的等式中,R1、R2分別是絕對(duì)溫度T1、T2時(shí)的電阻值(Ω)。其中B0/50、B25/50、B25/75、B25/85、B25/100分別對(duì)應(yīng)不同溫度之間的B值。
 
如果我們希望當(dāng)溫度25°C 時(shí)阻值為10Ω,當(dāng)溫度為85°C時(shí)阻值為2Ω,帶入上面的等式可以得到,B值需要2864K以上。
 
 
圖3,從Digi-Key網(wǎng)站中很快篩選適當(dāng)NTC熱敏電阻參數(shù)
 
最后綜合篩選,很快便找到EPCOS (TDK) B57234S0100M000 B值3060K, 25°C 時(shí) 10,功率3.2W,基本符合要求。
 
進(jìn)一步降低NTC上的損耗,該怎么辦?
 
對(duì)于有些應(yīng)用來說, 降低功耗特別關(guān)鍵,在NTC熱敏電阻上的功率損耗不能忽略不計(jì)。
 
可以在NTC熱敏電阻上并聯(lián)一個(gè)繼電器來減小NTC熱敏電阻的功耗。如下圖,Vaa是后續(xù)電路經(jīng)過AC-DC轉(zhuǎn)換的數(shù)字/模擬電源,比如5V/12V。
 
繼電器初始是斷開的。當(dāng)Vaa逐漸達(dá)到自身電壓的時(shí)候,齊納二極管D1導(dǎo)通,三極管Q1打開,繼電器RY1閉合,相當(dāng)于把限流NTC熱敏電阻Z1短路。
 
當(dāng)然這里也可以使用普通電阻來代替NTC熱敏電阻充當(dāng)限流電阻。普通電阻配合繼電器使用的情況下,阻值不受溫度影響更穩(wěn)定,限流的效果也更穩(wěn)定。
 
 
圖4,使用繼電器降低NTC熱敏電阻功耗
 
對(duì)于一些低成本,功率較低的電源電路,使用NTC熱敏電阻限制浪涌電流往往比較常見。對(duì)于中/高功率的電源電路以及對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率要求比較高的應(yīng)用,可以使用繼電器進(jìn)一步減小NTC熱敏電阻上的功耗。
 
Digi-Key功率繼電器
 
Digi-Key 更多不同的繼電器選擇
 
 
總結(jié)
 
電源電路通電的瞬間,外部電源的能量首先轉(zhuǎn)移到輸入濾波電容上。使用NTC熱敏電阻既可以限制浪涌電流,同時(shí)在溫度升高的時(shí)候阻值變低,從而減小NTC熱敏電阻本身的功耗。
 
最后,可以使用繼電器等外圍電路進(jìn)一步降低NTC熱敏電阻作為限流電阻的功耗。



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