- 小家電馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)中PPTC選型介紹
- 多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)例介紹
- 確認(rèn)PPTC的阻值上限R1max、下限Rmin、物理參數(shù)
目前小家電已經(jīng)進(jìn)入了中國的千家萬戶，但是由于小家電型號(hào)和品牌眾多，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，同時(shí)在很長一段時(shí)間以來，很多小家電也正是處于沒有專門的國家標(biāo)準(zhǔn)可以遵循的狀態(tài)。幸好國家已經(jīng)意識(shí)到了這個(gè)問題，很多小家電行業(yè)已經(jīng)在起草國家標(biāo)準(zhǔn)，這樣就會(huì)統(tǒng)一各個(gè)廠家自定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有利于小家電行業(yè)的健康發(fā)展，小家電的質(zhì)量問題也就被提上了議事日程，生產(chǎn)高可靠性的小家電也成為各個(gè)廠家的目標(biāo)。小家電中會(huì)使用到馬達(dá)的有豆?jié){機(jī)、食物料理機(jī)、榨汁機(jī)、攪拌機(jī)、絞肉機(jī)，打漿機(jī)，咖啡機(jī)等，馬達(dá)在這些小家電中是非常關(guān)鍵的設(shè)備，如何設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠性的馬達(dá)系統(tǒng)是判斷這些小家電質(zhì)量的一個(gè)很重要的指標(biāo)，本文正是討論小家電中會(huì)經(jīng)常碰到的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)的保護(hù)問題。
TE LVR系列PPTC產(chǎn)品介紹
TE connectivity是全球最大的無源器件專業(yè)提供商，同時(shí)也是全球最大的電路保護(hù)器件專業(yè)供應(yīng)商，它是PPTC高分子材料正溫度系數(shù)電阻的發(fā)明者，其過流過壓保護(hù)器件廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、IT、通信、工業(yè)、汽車等多個(gè)領(lǐng)域。在過流保護(hù)方面，泰科電子提供PolySwith自復(fù)式元件，在過壓保護(hù)方面，泰科電子提供GDT氣體放電管和PESD/SESD靜電保護(hù)元件，此外，泰科電子還提供綜合保護(hù)元件2Pro和Polyzen，MHP，RTP等眾多產(chǎn)品。
TE connectivity有眾多的PPTC型號(hào)可供用戶選擇，LVR系列可復(fù)位電路保護(hù)器件，是專門用于防止商用和家用電器中使用的馬達(dá)和變壓器因過載、過熱、堵轉(zhuǎn)、零線故障和其它潛在因素導(dǎo)致的損壞的器件，PPTC的初始小電阻值在馬達(dá)正常工作時(shí)不影響馬達(dá)的工作，當(dāng)PPTC在馬達(dá)過載或者堵轉(zhuǎn)的時(shí)候電阻迅速增加，以降低過載電流保護(hù)馬達(dá)，當(dāng)故障消除以后PPTC又可以恢復(fù)正常電阻讓馬達(dá)正常工作。TE connectivity LVR系列產(chǎn)品包括了多種額定值為120 VAC和240 VAC線電壓等級(jí)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品阻抗低、動(dòng)作時(shí)間快、體積小并具備可復(fù)位功能，有助于電路設(shè)計(jì)者推出安全和可靠性良好的產(chǎn)品，并且減少了保修期內(nèi)的修理費(fèi)用。
與一次性使用的保險(xiǎn)絲不同，PPTC器件無需在發(fā)生故障后進(jìn)行更換。在過電流狀況排除以及供電斷開后，電路將恢復(fù)至正常的運(yùn)行條件。與雙金屬型斷路器產(chǎn)品相比，這種產(chǎn)品具有更高的靈活性、更長的使用期限以及更低的電磁干擾(EMI)。
小家電馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的一般設(shè)計(jì)流程
下面先介紹一下在小家電馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)中PPTC選型的一般程序。
首先要確認(rèn)PPTC的阻值上限R1max。下圖1為PPTC阻值上限R1max的設(shè)計(jì)流程。
其次確認(rèn)PPTC的阻值下限Rmin。下圖2為PPTC阻值下限Rmin的設(shè)計(jì)流程。
總之選擇PPTC 的Rmin就是要保證PPTC在馬達(dá)工作在最低溫度以及最小故障電流等最惡劣情況下的保護(hù)時(shí)間能滿足要求，那么在其他故障情況下PPTC肯定也會(huì)及時(shí)的保護(hù)。
最后確認(rèn)PPTC的物理參數(shù)，比如PPTC的封裝尺寸，PPTC是安裝在控制板上還是安裝在馬達(dá)內(nèi)等。
一般在小家電馬達(dá)保護(hù)中使用以上的設(shè)計(jì)流程就可以設(shè)計(jì)出PPTC的型號(hào)，當(dāng)然也有例外，多功能豆?jié){機(jī)的馬達(dá)保護(hù)既有一般小家電馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的共性問題，也有它的特性，下面就用多功能豆?jié){機(jī)的馬達(dá)保護(hù)來闡述一下它的特殊解決方案。
多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)例介紹
多功能豆?jié){機(jī)功能強(qiáng)大，不但可以磨制豆?jié){，還可以制作果汁、果蔬濃湯、營養(yǎng)米糊、五谷雜糧、玉米汁、綠豆汁等幾十個(gè)品種，既可制作熱飲同時(shí)又可制作冷飲。
一般多功能豆?jié){機(jī)是由電動(dòng)和電熱系統(tǒng)集成在一起的產(chǎn)品，整機(jī)程序由微電腦系統(tǒng)自動(dòng)控制，形成一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)。多功能豆?jié){機(jī)從結(jié)構(gòu)上分析，主要有機(jī)頭，機(jī)身，馬達(dá)，聯(lián)軸器，杯蓋，杯體，刀軸，控制電路板，液晶顯示屏等組成。豆?jié){機(jī)里有溫度傳感器，用于檢測加熱器加熱時(shí)杯體內(nèi)的水溫，當(dāng)水溫達(dá)到MCU設(shè)定溫度(假設(shè)80 ℃左右)時(shí)，MCU啟動(dòng)馬達(dá)開始磨制豆?jié){。一般多功能豆?jié){機(jī)的預(yù)熱、打漿、榨果汁等全自動(dòng)化過程，都是通過MCU控制，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三極管，再由多個(gè)繼電器組成的繼電器組電路轉(zhuǎn)換來完成。其中馬達(dá)在多功能豆?jié){機(jī)中是一個(gè)非常重要的部件，它的使用安全問題直接影響到豆?jié){機(jī)的可靠性。
下圖3為多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)和加熱器的簡單電路示意圖。豆?jié){機(jī)所用馬達(dá)為220V直流馬達(dá)，繼電器的工作電壓為12V，豆?jié){機(jī)利用繼電器把MCU發(fā)出的低壓控制信號(hào)I/O來控制交流高壓信號(hào)的通斷，R3為PPTC可恢復(fù)電阻，T1和T2為繼電器。
由于在使用多功能豆?jié){機(jī)時(shí)，豆?jié){機(jī)往往在制作果汁的時(shí)候會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)指的是杯體中的物品將馬達(dá)軸承固定不使其轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電壓還加在馬達(dá)的兩端，這時(shí)候的電流就是堵轉(zhuǎn)電流，一般的馬達(dá)都是不允許發(fā)生堵轉(zhuǎn)的，因?yàn)轳R達(dá)發(fā)生堵轉(zhuǎn)之后馬達(dá)線圈的溫度會(huì)急劇上升，溫度超過線圈的最高溫度之后，時(shí)間稍長就會(huì)燒壞馬達(dá)，這即增加了消費(fèi)者的不便，也增加了生產(chǎn)者的維修成本。所以在豆?jié){機(jī)中增加馬達(dá)保護(hù)裝置是必不可少的，而且是在堵轉(zhuǎn)消除后能自動(dòng)恢復(fù)的保護(hù)，因此選擇TE connectivity公司的可恢復(fù)PPTC是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。
用上文所述的PPTC設(shè)計(jì)流程可以用在多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)防堵保護(hù)設(shè)計(jì)中，但這是往往會(huì)碰到選擇PPTC型號(hào)困難的問題，也就是說多功能豆?jié){機(jī)的馬達(dá)保護(hù)設(shè)計(jì)會(huì)較普通的小家電馬達(dá)保護(hù)復(fù)雜的多，圖4為磨制豆?jié){時(shí)PCB板周圍環(huán)境溫度和馬達(dá)外殼溫度的實(shí)測圖，可見控制電路PCB板PPTC周圍的環(huán)境溫度最高可以到達(dá)85C。由于豆?jié){機(jī)的PPTC最高環(huán)境溫度85度會(huì)比普通的小家電最高環(huán)境溫度要求高，這樣既要在85度的最大工作電流下能正常工作，還要保證在最低溫度0度的堵轉(zhuǎn)電流情況下能及時(shí)的保護(hù)，相應(yīng)的就增大了設(shè)計(jì)難度。下面就具體的闡述此類多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)堵轉(zhuǎn)的保護(hù)設(shè)計(jì)方案。
以磨制豆?jié){時(shí)的電流確定最大工作電流，根據(jù)該最大工作電流和最大環(huán)境溫度初步確定TE connectivity LVR系列PPTC的相關(guān)型號(hào)。圖5為多功能豆?jié){機(jī)磨制豆?jié){時(shí)的工作電流，測得多功能豆?jié){機(jī)的直流馬達(dá)的最大電流為800mA，由于磨制豆?jié){時(shí)馬達(dá)是間隔一定時(shí)間工作的，并不是一直連續(xù)工作的，間隔時(shí)間由豆?jié){機(jī)MCU計(jì)時(shí)電路控制，所以計(jì)算PPTC要能維持的最大工作電流指的是馬達(dá)工作整個(gè)周期的平均電流，圖中所示的800mA的最大電流換算成在一個(gè)完整工作周期內(nèi)為450mA。查閱LVR100在85度下的hold電流大約是550mA，所以首先選取 LVR100。
圖6為多功能豆?jié){機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流。在榨水果的堵轉(zhuǎn)情況下，實(shí)測馬達(dá)的堵轉(zhuǎn)最大電流為2A，由于榨果汁時(shí)馬達(dá)也不是一直連續(xù)工作的，也是間隔一定時(shí)間工作，間隔時(shí)間是馬達(dá)工作6S，停3S，這樣換算成在一個(gè)榨水果完整工作周期內(nèi)平均電流是1.6~1.7A。在1.6~1.7A堵轉(zhuǎn)電流下，馬達(dá)堵轉(zhuǎn)需要保護(hù)的時(shí)間要求在150S內(nèi)。
從上述數(shù)據(jù)看到豆?jié){機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流僅僅只是正常工作時(shí)電流的3倍，還要考慮85度的最高溫度和0度的最低溫度的情況，磨制豆?jié){的時(shí)間較長，要在比如半小時(shí)之內(nèi)能維持馬達(dá)的正常工作，這樣造成馬達(dá)保護(hù)的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，因?yàn)楹茈y滿足PPTC動(dòng)作時(shí)間快的要求，因?yàn)楫?dāng)堵轉(zhuǎn)電流和正常工作時(shí)電流的比值越大， PPTC保護(hù)的時(shí)間越快，PPTC的選型也越容易。現(xiàn)在在0C溫度下1.6~1.7A的堵轉(zhuǎn)電流下，LVR100的保護(hù)時(shí)間會(huì)非常長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足在0C 溫度下150S保護(hù)時(shí)間的要求。
那如何實(shí)現(xiàn)上述多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)保護(hù)的問題呢？TE connectivity公司研發(fā)出一種用LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合的方式連接在一起的組件來實(shí)現(xiàn)多功能豆?jié){機(jī)馬達(dá)的快速堵轉(zhuǎn)保護(hù)。本實(shí)例中采用LVR100和1ohm/3W的功率電阻熱耦合的組件，讓功率電阻和LVR100能很好的熱接觸，目的就是為了使功率電阻能在堵轉(zhuǎn)的時(shí)候加熱LVR100使其更快的保護(hù)，選取1ohm的功率電阻是為了減小對(duì)直流馬達(dá)的影響。
首先選取LVR100的Rmin電阻和1ohm/3W的功率電阻熱耦合的組件來進(jìn)行0C溫度下榨水果馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間。
選取兩片Rmin電阻0.22ohm 的LVR100和功率電阻集成的組件，下面表1為馬達(dá)的保護(hù)時(shí)間。
由上表可見保護(hù)時(shí)間都在 150S之內(nèi)，滿足要求。
其次選取典型值電阻的LVR100和功率電阻集成的組件，來進(jìn)行0C/25C溫度下榨水果馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間，下表2為馬達(dá)的保護(hù)時(shí)間。
可見LVR100的典型值組件在0C/25C溫度下馬達(dá)保護(hù)時(shí)間還會(huì)更快，完全滿足小于150S的馬達(dá)保護(hù)要求。圖7為在25度下馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的實(shí)測波形。
然后選取R1max電阻 0.58ohm 的LVR100和功率電阻集成的組件來進(jìn)行磨制豆?jié){的hold試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明組件能在一次完整的磨制豆?jié){過程中不誤動(dòng)作。
由以上的試驗(yàn)證明，TE connectivity公司研發(fā)出的LVR PPTC和功率電阻集成在一起的組件既可以滿足馬達(dá)的保護(hù)時(shí)間的要求，又可以在一次完整的磨制豆?jié){的周期內(nèi)不誤動(dòng)作，達(dá)到了設(shè)計(jì)和保護(hù)要求。
結(jié)論
PPTC可以用在小家電的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)中，對(duì)于多功能豆?jié){機(jī)等較為復(fù)雜的馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，TE connectivity也針對(duì)此類問題，研發(fā)出LVR PPTC和功率電阻利用熱耦合集成在一起的組件，解決了原來PPTC在豆?jié){機(jī)等家用電器中直流馬達(dá)堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間慢的問題，為客戶解決此類問題提供了一種全新的方案。
