作者：Raychem电路保护部
现代的商业建筑需要采用多种自动化系统来有效控制环境，提供安保，尽量降低能耗和提供消防保障。这些系统在一般情况下均位于建筑物内难以接触或不便进入的位置。这些系统发生故障后，租户会打电话要求维修，这将花费物业管理的成本，而且可能干扰建筑物租户的正常活动。选择具备可复位电路保护技术的产品将有助于把系统所发生故障的影响程度控制到最低，减少受到影响的系统部件的数量，并缩短系统维修所需的时间。
传统方式是采用保险丝技术保护电路。如果发生接线故障或部件故障，则有可能造成过电流现象，从而导致保险丝的熔断，使电气线路中断，防止出现故障的扩散或火灾。这套体系的缺点在于，系统中一个部件的故障可能导致许多其他部件无法运行。而维修技术人员必须进入所有受影响的部件并更换保险丝，系统方能继续运行。这就意味着要接近有可能由于初始单一故障所影响的控制柜、传感器和指示灯处。技术人员的工作量会远远超出只修理初始单一故障的工作量。而且还存在另外一种危险，即保险丝发生熔断的系统部件有可能未被发现，租户还要求进一步维修。更为重要的是，建筑物的部分地方可能处于不受保护的状态之下。
ASI Controls是一家建筑自动化系统制造商，最近将其ASIC/1-8655控制器产品系列中的Pico保险丝换成了Raychem电路保护部的PolySwitch可复位式电路保护器件。通过这项替换，控制器产品仍保持了关键接口处同等的过电流保护能力，而且无需在外部故障状态导致系统内出现大电流状态时更换或维护保险丝。
在通信线路和模拟接口上采用PolySwitch可复位电路保护方案后，可以防止瞬态或接地故障产生的电流对控制器电子电路造成损坏。在瞬时状态消失且电路电源断开时，PolySwitch器件自行复位，控制器恢复至完全的可运行状态，无须维护技术人员进入查看。
将可复位保护策略扩展至整个系统
控制器并不是建筑自动化控制系统中惟一可以利用可复位过电流保护优点的装置。任何需要交流电源的远程传感器、指示灯或执行器、模拟接口或通信总线接口都可利用PolySwitch可复位电路保护器件的特性。图2所示为各种建筑自动化系统构件及其通信连接和配电系统之间的关系。这些系统构件可能受到雷击、误连线、电源交叉供应或交流主输入回路中线松脱等造成的损坏。使用PolySwitch保护技术的系统构件有助于降低或防止这些情况的大多数故障。
在图3中，我们举了一个PolySwitch器件应用于保护单个电源、信号或通信接口的例子。每个PolySwitch器件与一个过电压保护器件如金属氧化器变阻器（MOV）相结合，提供过电流保护之外的过电压瞬态保护。这种电路拓扑结构可使产品满足UL技术对2级产品和IEC 61000 - 4 - 5标准中有关浪涌防止性能的技术要求。
在单个远程部件出现故障的情况下，PolySwitch可复位器件还可用于保持系统继续运行。一般情况下，如果出现了远程传感器的故障，将导致短路或电源无法供电或通信总线不能工作。在远程传感器中采用PolySwitch器件后，将能保护出现故障的器件，以免发生火灾，而且在总线和故障器件之间形成一个很高的阻抗。这将有助于保护系统其他部分以免受损。图4所示为能够在配电母线应用中实现这项功能的系统结构。
PolySwitch器件能够用于保护通信接口不受接线错误的损坏。例如，在出现电话线由于疏忽而连接到数据端口（见图5）的系统中，均有可能在低电压数据电子电路中施加了高压振铃电压。所有数据总线上的构件均可能因此而遭受损坏。使用PolySwitch器件能够保护这些接口，并有助于消除由此造成的损失。
PolySwitch器件的工作原理
Raychem电路保护部的PolySwitch器件属于聚合物正温度系数（PPTC）器件，作为电路中的串联器件使用。该型号的器件可用于多种工作电流值，而且每个器件均规定了“保持”电流，即使是在20℃下，器件仍能够流过电流而不会发生动作的最小电流值。该器件的形式包括引线型、轴向型、片型、盘型和表面贴装型的配置。
聚合物正温度系数器件的小巧外形有助于节省宝贵的电路板空间，其可复位功能允许它布置在用户无法接触到的位置，这与传统的保险丝必须安装在用户能够接触到的位置相比，具有明显的差异。由于聚合物正温度系数器件是固态器件，所以还能耐受机械冲击和振动，可为范围广泛的各种应用提供可靠的电路保护。
聚合物正温度系数器件由特殊塑料和导电性颗粒组成的导电性聚合物共混物。在正常的工作温度下，导电性颗粒在聚合物中形成低阻值的导电链路图（见图6）。但是，当温度上升到器件的开关温度以上时，聚合物内的晶体融化，形成非晶体物质。在这个晶体融化的过程中，其容积变大，造成导电性颗粒的分离，并导致器件阻抗呈非线性增加。产生变化的热量可以是来自外部，也可以是由于电流过大而产生的内部电阻性发热现象。器件的阻值上升，降低了在故障状态下能够流过的电流值，并有助于保护电路中的设备。
正温度系数效应
有关某种材料的阻值具有正温度系数（PTC）效应，是指材料的阻值会随着温度的上升而增加。所有与金属类似的导电性材料均拥有正温度系数的阻值。在这些材料中，正温度系数效应的特点是阻值与温度成线性正比逐渐增加。这就是常见的、或线性的正温度系数效应。
非线性正温度系数效应
发生相态变化的材料可能呈现出一种阻值在很窄的温度范围内急剧上升的特性，如图7所示。某些导电性聚合物可以呈现出此类效应。这些导电性聚合物可用于制造过电流保护器件，通常称为聚合物正温度系数（PPTC）过电流限制器，或电路保护器件。
聚合物正温度系数（PPTC）器件的运行状态建立在能量平衡基础上，这种平衡由以下的等式描述：
mCp(ΔT/Δt)=I2R-U(T-Ta) （1）
I= 流经器件的电流
R= 器件的阻值
Δt= 时间变化量
m= 器件的质量
Cp= 器件的热容量
ΔT= 器件温度变化值
T= 器件的温度
Ta= 环境温度
U= 综合热传导系数
在这些等式中，流经器件的电流等于I2R的额定热量。这些热量的全部或部分散失于环境中，散失的速度可用条件U(T - Ta)表示。所有未散失到环境中的热量将导致器件温度的上升，这种上升可用下列条件表示：
mCp(ΔT/Δt)
为了尽量简化公式（1），假设器件内部的温度是均匀的。
如果器件产生的热量与其散失至环境中的热量保持平均，则 (ΔT/Δt)等于零，公式（1）可以改写为：
I2R- U(T - Ta) （2）
在通常的工作状态下，器件产生的热量和器件散失到环境中的热量能够在较低的温度下保持平衡，例如图7中的第1点。如果流经器件的电流增加，而周围环境温度保持恒定时，器件所产生的热量将增长，器件的温度也会随之增加。但是，如果电流增加的量并不是太大，所产生的热量均可以散失到环境中去，器件还将根据公式（2）稳定在一个较高的温度，例如图7中第2点。
如果电流没有增加，而环境温度增加，器件也将按照公式（2）所述，在一个较高的温度下维持平衡，可能还是图7中的第2点。第2点的状态也可通过电流增加和环境温度增加的联合作用达到。电流或环境温度的进一步增加将使器件达到一个温度，此时出现阻值快速增加，例如图7中的第3点。
如果电流或环境温度持续上升，将导致器件产生热量的速率大于热量散失到环境中的速率，因而造成了器件温度的快速上升。在这一阶段，阻值将有一个大幅度的增长，而温度改变则相对较小。在图7中，阻值在温度改变较小的情况下出现很大变化的区域位于第3点和第4点之间。这种电阻值的大幅增加造成了流经电路的电流值相应下降。电流的降低有助于保护电路免受损坏。
由于在第3点与第4点之间的温度变化很小，公式（2）中的条件（T - Ta）可以用常数（To - Ta）来代替，其中To是器件的工作温度。然后公式（1） 可以改写为：
I2R = V2/R = U(To - Ta) （3）
由于U和（To - Ta）现在均为常数，公式（3）可以简化成I2R = 常数。这就是说，目前器件工作在恒定的功率状态下。由V2/R来表示这一恒定的功率，能够在动作状态下强调器件的阻值与所施加的电压的平方成正比的关系。这种关系将保持到器件阻值达到曲线上部时（图7中的第4点）为止。
对于已经动作的器件，只要所施加的电压值使产生的V2/R热量足以供应U(To - Ta)的损失，则器件将保持在动作状态下。这就是说，器件将保持并固锁在其保护状态下。在电压降至U(To - Ta)损失无法满足供应时，器件的温度将下降，并最终复位。
总结
Raychem电路保护部的PolySwitch聚合物正温度系数器件已经在领域宽广的电路保护应用中证明了其卓越的有效性，并获得了UL、CSA和TUV的安全认证。其能力在于提供可靠而可复位的保护方式，从而有助于降低昂贵的保修期返修次数，并提高客户的满意度。
PolySwitch聚合物正温度系数器件为单独使用保险丝的技术提供了一项可复位的解决方案，可用于保护昂贵的电子系统，减少维护要求，并降低维护成本。 |
