PolySwitch元件分析

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PolySwitch元件有多种系列产品，其产品特性各不相同。以常用的RXE系列元件为例，其20℃时的电气特性如表1所示。
表1　RXE系列元件20℃时的电气特性



表1中各符号的含义如下:
IH：20℃环境温度下的最大工作电流
IT：20℃环境温度下PolySwitch元件启动保护的最小电流
Vmax：PolySwitch元件的最大工作电压
Imax：PolySwitch元件能承受的最大电流
Pdmax：PolySwitch元件动作状态下的最大消耗功率
Rmax：PolySwitch元件未动作前的初始最大阻值
Rmin：PolySwitch元件未动作前的初始最小阻值
由表1可知，该系列元件所能承受的最大电流为40安培，故障时启动保护的最小电流是最大工作电流的2倍。
RXE系列PolySwitch元件20℃时的动作保护特性曲线见图1。其中横坐标表示故障电流，单位为安培，纵坐标表示动作时间，单位为秒。两个坐标轴均为对数坐标。图中每一条曲线对应一个型号的元件，构成该系列元件的动作保护特性曲线簇。表2为图1中曲线标号与元件型号的对照表。



图1　RXE系列元件20℃时的动作保护特性曲线
在图1所示的对数坐标系中，每一条曲线都可看作由弯曲部分和直线部分连接而成，两部分的临界点位置随元件型号的不同而不同。由于各型号元件曲线的变化趋势基本相同，建立数学模型的方法也相同。
表2　曲线标号与元件型号对照表



数学模型的建立
在图1所示的坐标系中，PolySwitch元件动作保护特性曲线由弯曲部分和直线部分连接而成，可分别建立其数学模型。以M=RXE160的曲线为例，建立数学模型的具体步骤如下。
确定临界点位置
对图1中的曲线进行测量，可得到PolySwitch元件动作保护特性曲线弯曲部分和直线部分的临界点位置。对M=RXE160的曲线，测得的临界点位置约为I=4.3A。
                          
                       
                          
                               
直线部分
由表1可知，RXE系列PolySwitch元件所能承受的最大电流为40A。该点与临界点之间为曲线的直线部分。



由图1直线部分曲线取若干特殊点，经计算机进行数学处理，得到a，b的具体数值:
a=813，b=22.54，
代入(1)式，可得直线部分的数学公式:



曲线部分
由于PolySwitch元件具有PTC效应，其动作保护特性曲线部分的数学模型可参考PTC器件的阻温特性来建立。该类特性的数学模型可采用幂函数或对数函数的形式。设其数学公式具有如下形式；



式中t0，I0，b均为常数。由图1曲线部分曲线取若干特殊点，经计算机进行数学处理，得到t0，I0，b的具体数值:
t0=-38.93，I0=4.42，b=-1.83，
代入(3)式，可得曲线部分的数学公式:



　(2)式和(4)式共同组成RXE160元件的动作保护特性数学模型。两条曲线在临界点位置平滑连接。
实验结果
为验证RXE160元件动作保护特性数学模型的正确性，将RXE160元件接入直流电源保护电路中进行实际测试，得到实验数据如表3所示。
表3　实验数据


　　
将实验数据与数学模型曲线绘制在同一坐标系中，如图2所示。图中的曲线为根据(2)式和(4)式绘制的仿真曲线，图中的点为实测数据点。为了方便比较，曲线的横轴、纵轴均采用了对数坐标，所用软件为Matlab6.0。比较图1和图2可知，该仿真曲线与PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线形态一致，且与实测数据点之间基本吻合。其他型号曲线的数学模型可按照上述方法分别建立。



图2　RXE160动作保护特性仿真曲线(20℃)
受元件特性曲线精度的限制，采用查表法选择PolySwitch元件使用不便，而且精度不高。本文根据PolySwitch元件动作保护特性的特点，建立了PolySwitch元件动作保护特性的数学模型，较好地解决了这一问题。实验表明，该仿真曲线与PolySwitch元件手册中给出的动作保护特性曲线形态一致，实测数据与根据数学模型绘制的曲线基本吻合