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工业控制系统PPTC
工业控制系统（ICS）专为连续可靠运行而设计。PLC、远程I/O模块、工业传感器、电机控制器、HMI设备、控制面板、通信接口和自动化设备可以在电气要求苛刻的环境中运行数年。
对于这些系统，低压控制或接口电路上的过流故障可能会中断通信、损坏组件或导致不必要的维护。PPTC可重置保险丝提供了一种紧凑的过流保护形式，可以在故障条件消除和设备冷却后自动恢复到正常电阻。
本文介绍了PPTC保险丝如何应用于工业控制系统，如何解释PPTC保险丝数据表，如何选择保持电流、跳闸电流、额定电压和电阻等参数，以及PPTC保护适合工业保护架构的位置。
工程说明：PPTC是一种过电流保护组件。它不是网络安全控制，也不应作为一个来表示。工业网络安全应通过适当的系统架构、安全控制、标准和风险评估来单独解决。
什么是PPTC？
PPTC代表聚合物正温度系数。它是一种聚合物基自恢复过流保护装置，通常用作PTC自恢复保险丝、自恢复保险丝或聚合物PTC装置。
与传统的一次性熔断器不同，PPTC通常不需要在每次临时过电流事件后更换。当过大的电流导致器件温度升高时，其电阻会显着增加并限制流经受保护电路的电流。
故障排除后，器件冷却，其电阻向其原始值下降。
这种可复位特性使得PPTC设备在可维护性、停机时间和重复故障保护是重要考虑因素的设备中非常有用。
典型的工业应用包括：
PLC和I/O模块
工业传感器
控制面板
工业以太网接口
RS-232、RS-485等通讯接口
人机界面设备
工业计算机
电机控制接口
配电控制电路
仪表化
自动化设备
楼宇自动化控制器
工厂自动化系统
PPTC如何在工业电子中工作？
PPTC通过temperature-dependent机制运作。
在正常工作条件下，PPTC具有相对较低的电阻，并允许受保护电路正常工作。
当过流条件发生时，器件中耗散的功率会增加其温度。聚合物材料的电阻会大幅增加，从而降低流过电路的电流。
简化的操作顺序是：
正常电流过流PPTC加热电阻增加电流受限故障排除冷却电阻降低
这就是为什么PPTC通常被描述为可复位保险丝。
然而，“可复位”并不意味着设备立即恢复到原来的电阻。恢复时间取决于设备、故障条件、环境温度、PCB设计、气流和其他应用因素。
因此，对于工业设备，工程师应评估电气保护特性和热环境。
为什么在工业控制系统中使用PPTC？
工业控制设备经常包含多个可能需要局部保护的低压电路和接口。
单个工业控制器可以包含：
直流电源输入
传感器输入
数字I/O
模拟I/O
通讯接口
USB接口
以太网接口
继电器或执行器接口
辅助电源输出
理想情况下，一个分支上的故障对系统其余部分的影响应该是有限的。
正确选择PPTC有助于提供局部过流保护，并减少频繁更换传统保险丝的需要。
1.可恢复过流保护
PPTC可以在过电流条件被消除并且器件冷却后返回其低电阻状态。
这对于安装在维护困难的地方的工业设备特别有用。
2.低压电路保护
许多控制和通信电路在相对较低的电压下工作。PPTC器件有不同的电压、电流、电阻和封装配置，可满足不同的电路要求。
必须始终根据实际工作电压和故障条件检查所选器件。
3.保护个别分支机构
设计人员可以在各个电路分支上使用适当选择的保护元件，而不是用一个上游保险丝保护整个控制系统。
这有助于减少局部故障禁用不相关电路的可能性。
4.紧凑型PCB保护
SMD PPTC器件可以提供过流保护，而无需大型常规保险丝座。
这在紧凑型PLC模块、I/O板、工业通信模块和嵌入式控制设备中很有用。
5.减少临时故障的维护
对于涉及临时过载或意外短路的应用，可重置保护元件可以降低物理保险丝更换的频率。
然而，PPTC的选择不应仅仅基于设备将复位的预期。保护电路必须围绕PPTC的电气和热特性进行设计。
工业控制系统的PPTC选择
选择PPTC不仅仅需要匹配正常工作电流。
工程师应评估完整的操作环境，并将要求与制造商的PPTC保险丝数据表进行比较。
重要参数包括：
保持电流（Ihold）
旅行电流
最大电压（Vmax）
最大故障电流
初始阻力
功耗
旅行时间
工作温度
包装尺寸
PCB热特性
复位特性
1.保持电流（Ihold）
伊霍尔德
是最重要的PPTC参数之一。
它表示PPTC在特定条件下可以携带而不跳闸的电流。
选择器件时，正常连续工作电流应低于规定的保持电流，并具有适当的工程余量。
例如，如果控制电路正常工作在大约1.0 A，选择Ihold正好为1.0 A的器件可能无法提供足够的余量，因为实际条件包括温度变化、电流容限、PCB热效应和负载变化。
因此，应将实际操作条件与制造商的规格进行比较，而不是使用简单的额定电流规则。
2.行程电流（Itrip）
PPTC跳闸电流是指器件在规定的试验条件下进入其高阻保护状态的电流水平。
携程通常高于Ihold。
简化的关系是：
伊霍尔德
然而，工程师们不应该将Itry解释为精确的断路器阈值。PPTC行为受温度、时间、安装条件和故障特征的影响。
因此，在评估用于工业控制应用的PPTC时，制造商数据表中的行程时间曲线非常重要。
3.额定电压
PPTC的最大额定电压必须等于或大于在指定操作和故障条件下施加到受保护电路的电压。
例如，PTC保险丝2A名称本身并不足以确定组件是否合适。
完整的选择需要考虑：
电流+电压+Ihold+Itrip+电阻+故障电流+温度
4.初始阻力
PPTC电阻在低压工业电子产品中非常重要，因为过大的电阻会产生不必要的电压降和功率耗损。
具有更高阻力的PPTC可能会影响：
传感器电源电压
通讯接口
I/O电压
电力输送
信号完整性
热性能
因此，工程师应将PPTC保险丝数据表中规定的初始电阻与受保护电路的允许电阻进行比较。
5.工作温度
温度在工业环境中尤为重要。
工业控制设备可能在以下内部运行：
控制柜
工厂车间
户外设备
电机控制外壳
配电柜
工业计算机
环境温度影响PPTC的热行为，并能改变其有效载流能力。
在室温下正常工作的PPTC在升高的环境温度下可能具有不同的性能。
在为工业环境设计时，始终评估制造商的降额信息。
PPTC与常规保险丝
PPTC和常规熔断器具有不同的工作特性。
| 特色 | PPTC自恢复保险丝 | 常规保险丝 |
|---|---|---|
| 复位能力 | 是的，冷却/故障排除后 | 不 |
| 手术后更换 | 通常不需要 | 必填 |
| 保护机制 | Temperature-dependent阻力增加 | 熔化元件 |
| 重复的暂时性故障 | 适用于某些应用 | 需要更换 |
| 阻力 | 可以相对更高 | 通常都很低 |
| 反应行为 | Application-dependent | 根据保险丝类型快速且可预测 |
| 典型应用 | 可恢复分支保护 | 高可靠性故障中断 |
选择时应根据实际电路的保护要求。
PPTC不应在每个工业应用中自动更换传统保险丝。
对于需要非常快速中断、非常低电阻、精确中断性能或特定安全认证的电路，另一种保护技术可能更合适。
PPTC在工业控制系统中的应用？
PLC和I/O模块
PPTC器件可用于保护可编程逻辑控制器系统中的选定电源和I/O分支。
潜在的应用包括：
数字输入电路
数字输出电路
传感器功率
辅助动力
通讯接口
PPTC应根据各支路的实际电流和电压要求进行选择。
工业传感器
传感器可以安装在可能发生意外接线故障或短路的环境中。
对于适合可复位过电流保护的传感器电源分支，可以考虑采用PPTC保护。
典型应用包括：
接近传感器
温度传感器
压力传感器
工业测量设备
机器视觉配件
RS-485和工业通信接口
工业通信接口可能暴露于接线故障、安装错误或异常情况。
PPTC可用作更广泛的保护设计的一部分，具体取决于接口架构。
对于通信接口，PPTC选择应与TVS设备和共模保护等其他保护组件一起评估。
单独的PPTC不能提供完整的ESD、浪涌、EFT或信号线保护。
工业以太网设备
工业以太网交换机、控制器、网关和通信模块可能需要对其电源输入或辅助电路进行保护。
PPTC应该根据电路架构进行定位和选择，而不是简单地在以太网信号路径上添加一个设备。
HMI和工业控制面板
HMI系统和控制面板可能包含多个辅助电源分支。
对于需要重复临时过流保护的选定低压支路，可以考虑使用可重置保险丝。
如何阅读PPTC保险丝数据表
在评估PPTC制造商或供应商时，工程师不应只看产品名称。
有用的PPTC保险丝数据表应提供足够的电气和机械信息，以确定组件是否适合应用。
重要信息包括：
电气特性
伊霍尔德
特里普
Vmax
Imax
初始阻力
最大阻力
功率特性
热特性
工作温度范围
降额曲线
行程时间特性
热回收特性
机械信息
包装尺寸
引线配置
PCB安装建议
推荐的焊盘布局
资格和可靠性信息
根据应用，客户可能还需要：
材料信息
危害性物质限制指令/REACH状态
可靠性试验数据
资质报告
生产质量控制
溯源信息
对于工业客户，工程留档的可用性可能与标称电气参数一样重要。
2A PPTC是否适合工业应用？
也不一定。
描述为PTC保险丝2A的产品可能表示标称电流相关参数，但仅“2A”不能确定适用性。
例如，工程师可能需要知道：
什么是连续工作电流？
最大工作电压是多少？
环境温度是多少？
预期故障电流是多少？
电路保护要多快？
允许的电压降是多少？
电路能承受多大的阻力？
有哪些PCB空间可用？
设备是否需要特定的认证？
因此，正确的PPTC选择始于电路要求，而不是产品的营销名称。
PPTC和工业系统可靠性
工业控制系统是围绕可用性、可靠性、安全性和受控维护而设计的。
NIST的OT安全指南强调操作技术具有独特的性能、可靠性和安全要求。NIST SP 800-82 Rev.3涵盖OT环境，包括工业控制系统、PLC、DCS和SCADA相关系统。
这就产生了一个重要的区别：
PPTC保护电路。
网络安全标准保护工业控制系统免受网络威胁。
两者不应混淆。
PPTC可以提高控制系统的电气鲁棒性，但不能防止：
未经授权的访问
恶意软件
网络入侵
凭证盗窃
软件漏洞
未经授权的命令执行
这些风险需要专门的网络安全措施。
工业控制系统的关键网络安全标准是什么？
一些标准和指导文件与工业控制系统网络安全相关。
IEC 62443
IEC 62443系列是工业自动化和控制系统的主要网络安全标准框架之一。
该框架解决了工业安全生命周期的不同部分，包括：
一般概念
政策和程序
系统安全
组件安全
安全的产品开发
NIST的OT安全留档标识ISA/IEC 62443系列，并将其组织描述为一般、策略和程序、系统和组件类别。
对于组件制造商来说，IEC 62443-4-1和IEC 62443-4-2是特别需要了解的相关领域，因为它们解决了IACS组件的安全产品开发生命周期要求和技术安全要求。
NIST SP 800-82
NIST SP 800-82提供了保护OT和工业控制环境的指南，同时考虑了它们的可靠性、性能和安全要求。
当前的最终修订版是NIST SP 800-82 Rev.3，于2023年9月发布。
它涵盖了OT环境，例如：
工业控制系统
SCADA
DCS
基于PLC的系统
制造系统
能源系统
运输系统
该标准强调基于风险的安全性，而不是像对待传统IT系统一样对待OT系统。
PPTC应用的重要区别
PPTC制造商不应仅仅因为PPTC组件在工业控制器中使用就声称PPTC组件本身“符合IEC 62443网络安全标准”。
网络安全合规性适用于相关产品、开发过程、系统架构、组织或组件要求，具体取决于特定标准和认证范围。
PPTC的作用是电气保护，而网络安全是通过系统级和产品级安全措施来解决的。
工业电子中PPTC的设计注意事项
在将PPTC集成到工业控制系统中时，工程师应考虑以下设计顺序：
第1步：定义正常工作电流
确定下的连续电流：
最小负荷
典型负荷
最大负荷
第2步：确定最大工作电压
选择一个PPTC，其额定电压适合实际电路。
第3步：定义故障条件
考虑：
短路
接线故障
过载
连接不正确
异常负荷
第4步：选择Ihold
确保正常工作电流保持在规定的工作范围内，并有适当的余量。
第5步：查看Itrip和Time-to-Trip
确定PPTC是否可以对预期故障做出适当的响应。
第6步：检查电阻
评估正常工作条件下的电压降和功率耗损。
第7步：评估温度
检查PPTC的温度降额和PCB和外壳的实际热环境。
第8步：验证数据表
最终选择应根据制造商的最新数据表和资格信息进行确认。
PPTC为什么选择睿霖半导体？
睿霖半导体是一家专注于PPTC自恢复保护元件的研究、开发、生产和制造的制造商。
我们的产品组合旨在支持不同的电路保护要求，包括：
标准PPTC自恢复保险丝
超低电阻PPTC
高温PPTC
USB Type-C专用PPTC
DIP PPTC
一次性保险丝产品
多种SMD封装尺寸
可用的SMD尺寸系列包括常见格式，例如：
0603/0805/1206/1210/1812/2018/2920
对于工业控制应用，产品选择应基于完整的电气和环境要求，而不是简单地根据封装尺寸或标称电流选择组件。
瑞林半导体可以提供产品信息和工程留档，帮助客户评估工业电子、控制设备、通信接口、电源保护、汽车电子、电池保护等应用的PPTC解决方案。
对于生产项目，客户应在最终设计前确认适用的产品数据表、规格、合格要求和样品性能。
常见问题（FAQs)
什么是PPTC？
PPTC代表聚合物正温度系数。它是一种基于聚合物的自复位过流保护装置。当过大的电流导致装置温度升高时，其电阻显著增加并限制电流。故障消除和装置冷却后，其电阻向正常状态下降。
如何选择PPTC？
从应用程序的正常工作电流和电压开始，然后评估Ihold、Itrip、最大电压、初始电阻、最大故障电流、跳闸时间、工作温度、封装和PCB热条件。始终根据制造商的PPTC保险丝数据表和应用要求验证选择。
什么是电子领域的PPTC？
PPTC是一种用于电子电路的可复位过流保护元件。它通常用于保护电源输入、I/O电路、传感器电源、通信接口、USB端口、电池电路和其他需要复位保护的分支。
工业控制系统的关键网络安全标准是什么？
重要的框架包括用于工业自动化和控制系统网络安全的IEC 62443系列和用于OT安全指南的NIST SP 800-82。NIST SP 800-82 Rev.3是当前的最终修订版，解决了OT环境，同时考虑了它们的性能、可靠性和安全要求。
PPTC组件不应被描述为网络安全控制。它们提供过流保护，仅构成工业设备整体可靠性和保护架构的一部分。
PPTC与Polyfuse PTC相同吗？
Polyfuse通常用作聚合物可复位PTC保护装置的产品或品牌相关术语。在一般技术用法中，PPTC描述了聚合物正温度系数技术。工程师应该比较实际的电气规格，而不是仅仅依赖术语。
什么是PPTC跳闸电流？
PPTC跳闸电流是指器件在特定测试条件下进入高阻保护状态时产生的电流。由于PPTC行为取决于温度、时间、安装条件和故障特性，因此不应将其视为精确的瞬时断路器阈值。
PTC保险丝2A是否始终适用于2A电路？
不可以。仅“2A”额定值不足以选择PPTC。工程师必须考虑Ihold、Itrip、工作电压、电阻、环境温度、故障条件和跳闸时间。
PPTC是否完全取代了传统的保险丝？
没有。PPTC和传统保险丝具有不同的特性。PPTC在需要自复位保护的情况下很有用，但是需要非常快的中断、非常低的电阻、高中断能力的应用，或特定的安全批准可能需要传统保险丝或其他保护技术。
PPTC可以用于PLC系统吗？
是的。选定的PLC电源、I/O、传感器和辅助电路，当其电气特性满足应用要求时，可以考虑使用PPTC器件。应根据实际电路条件选择器件，并通过制造商的数据表进行验证。
PPTC可以保护工业通信接口吗？
PPTC可以为合适的电源或接口分支提供过流保护。但是，它不应被视为完整的通信保护解决方案。根据接口，可能需要额外的设备，如TVS保护、滤波、隔离或其他瞬态保护。
结论
工业控制系统需要可靠的电气故障保护，同时保持可维护性和系统可用性。
正确选择的PPTC保险丝可以为PLC、工业传感器、I/O模块、控制面板、通信设备、HMI系统和其他工业电子设备提供可恢复的过流保护。
最重要的参数不仅仅是宣传的额定电流。工程师应该一起评估Ihold、Itrip、额定电压、电阻、跳闸时间、温度降额、故障条件和PCB热特性。
对于工业应用，PPTC保护也应被视为更广泛系统设计的一部分。电气保护、功能安全、可靠性和网络安全有不同的目标，应相应地进行设计。
瑞林半导体为寻求跨工业、汽车、电池、USB Type-C、消费电子和其他应用的可恢复过流保护解决方案的工程师和制造商提供PPTC保护产品。
