一文讀懂壓敏電阻的原理及使用方法
發(fā)布時(shí)間:2020-01-14 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體,所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種?,F(xiàn)在大量使用的"氧化鋅"(ZnO)壓敏電阻器,它的主體材料有二價(jià)元素(Zn)和六價(jià)元素氧(O)所構(gòu)成。所以從材料的角度來(lái)看,氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體”。
壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體,所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種?,F(xiàn)在大量使用的"氧化鋅"(ZnO)壓敏電阻器,它的主體材料有二價(jià)元素(Zn)和六價(jià)元素氧(O)所構(gòu)成。所以從材料的角度來(lái)看,氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體”。
對(duì)于我們?cè)O(shè)備中使用的壓敏電阻,原選用型號(hào)為 14D101K,實(shí)際運(yùn)行 3 個(gè)月中,此型號(hào)壓敏電阻經(jīng)常燒毀。后改為 14D121K,實(shí)際運(yùn)行 3 個(gè)月,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)燒壞。所以,為指導(dǎo)以后工作,整理并學(xué)習(xí)此資料,并在整理過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)壓敏電阻不應(yīng)該直接并接在元件的輸入端。具體壓敏電阻的資料如下:
一、壓敏電阻的原理
壓敏電阻意思是“在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變”,或者是說(shuō)“電阻值對(duì)電壓敏感”的阻器。相應(yīng)的英文名稱(chēng)叫“VoltageDependentResistor”簡(jiǎn)寫(xiě)為“VDR”。
隨著加在它上面的電壓不斷增大,它的電阻值可以從 MΩ(兆歐)級(jí)變到 mΩ(毫歐)級(jí)。當(dāng)電壓較低時(shí),壓敏電阻工作于漏電流區(qū),呈現(xiàn)很大的電阻,漏電流很小;當(dāng)電壓升高進(jìn)入非線性區(qū)后,電流在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化時(shí),電壓變化不大,呈現(xiàn)較好的限壓特性;電壓再升高,壓敏電阻進(jìn)入飽和區(qū),呈現(xiàn)一個(gè)很小的線性電阻,由于電流很大,時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)使壓敏電阻過(guò)熱燒毀甚至炸裂。正常使用時(shí)壓敏電阻處于漏電流區(qū),受到浪涌沖擊時(shí)進(jìn)入非線性區(qū)泄放浪涌電流,一般不能進(jìn)入飽和區(qū)
壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體,所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種?,F(xiàn)在大量使用的"氧化鋅"(ZnO)壓敏電阻器,它的主體材料有二價(jià)元素(Zn)和六價(jià)元素氧(O)所構(gòu)成。所以從材料的角度來(lái)看,氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體”。
二、壓敏電阻的作用
壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值"UN"時(shí),流過(guò)它的電流極小,相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門(mén),當(dāng)電壓超過(guò) UN 時(shí),流過(guò)它的電流激增,相當(dāng)于閥門(mén)打開(kāi)。利用這一功能,可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過(guò)電壓,保護(hù)電路免受過(guò)電壓的損害。
壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件,可以用來(lái)代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對(duì) IC 及其它設(shè)備的電路進(jìn)行保護(hù),防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流(如雷擊等)而造成對(duì)它們的損壞。使用時(shí)只需將壓敏電阻器并接于被保護(hù)的 IC 或設(shè)備電路上,當(dāng)電壓瞬間高于某一數(shù)值時(shí),壓敏電阻器阻值迅速下降,導(dǎo)通大電流,從而保護(hù) IC 或電器設(shè)備;當(dāng)電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時(shí),壓敏電阻器阻值極高,近乎開(kāi)路,因而不會(huì)影響器件或電器設(shè)備的正常工作。
三、壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)參數(shù)
壓敏電阻用字母“MY”表示,如加 J 為家用,后面的字母 W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K 分別用于穩(wěn)壓、過(guò)壓保護(hù)、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補(bǔ)償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量,但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流,在用作過(guò)壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。
四、壓敏電阻的特性參數(shù)
①壓敏電壓 UN(U1mA):通常以在壓敏電阻上通過(guò) 1mA 直流電流時(shí)的電壓來(lái)表示其是否導(dǎo)通的標(biāo)志電壓,這個(gè)電壓就稱(chēng)為壓敏電壓 UN。壓敏電壓也常用符號(hào) U1mA 表示。壓敏電壓的誤差范圍一般是±10%。在試驗(yàn)和實(shí)際使用中,通常把壓敏電壓從正常值下降 10%作為壓敏電阻失效的判據(jù)。
②最大持續(xù)工作電壓 UC:指壓敏電阻能長(zhǎng)期承受的最大交流電壓(有效值)Uac 或最大直流電壓 Udc。一般 Uac≈0.64U1mA,Udc≈0.83U1mA。
③通流量(最大沖擊電流)IP:指壓敏電阻能夠承受的 8/20μs 波的最大沖擊電流峰值。“能夠承受”的含義是,沖擊后壓敏電壓的變化率不大于 10%?,F(xiàn)行的技術(shù)規(guī)格書(shū)中通常都給出了沖擊 1 次的 IP 值。
④最大箝位電壓(限制電壓)VC:技術(shù)規(guī)格書(shū)中給出的最大箝位電壓值是指給壓敏電阻施加規(guī)定的 8/20μs 波沖擊電流 IX(A)時(shí)壓敏電阻上呈現(xiàn)的電壓。
實(shí)際使用中,壓敏電壓越高,施加的沖擊電流越大,限制電壓(或稱(chēng)殘壓)就越高,可從產(chǎn)品給出的 V-I 曲線上查到。
⑤額定能量 E:額定能量是指壓敏電阻能夠承受規(guī)定波形的沖擊電流沖擊一次的最大能量(沖擊后壓敏電壓的變化率不大于 10%),可用下式表示:
E=K*IP*VC*T
式中:IP、VC 見(jiàn)上,T 為脈沖寬度,K 為與波形有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于 8/20μs 波和 10/1000μs 波,K=1.4;對(duì)于 2ms 方波,K=1。
⑥額定功率(最大平均功率)Pm:指壓敏電阻在室溫下,連續(xù)承受多次沖擊,且各次沖擊之間間隔時(shí)間較短,因而有熱積累效應(yīng)的情況下,能夠承受的最大平均功率。盡管壓敏電阻能承受很大的脈沖功率,但能承受的平均功率卻很小。
⑦電容 C0:指壓敏電阻兩電極間呈現(xiàn)的電容,在幾 pF~幾百 nF 的范圍內(nèi)。體積越小,壓敏電壓越高,電容越小。
⑧漏電流 Il:給壓敏電阻施加最大直流電壓 Udc 時(shí)流過(guò)的電流。測(cè)量漏電流時(shí),通常給壓敏電阻加上 Udc=0.83U1mA 的電壓(有時(shí)也用 0.75U1mA)。一般要求靜態(tài)漏電流 Il≤20μA(也有要求≤10μA 的)。在實(shí)際使用中,更關(guān)心的不是靜態(tài)漏電流值本身的大小,而是它的穩(wěn)定性,即在沖擊試驗(yàn)后或在高溫條件下的變化率。在沖擊試驗(yàn)后或在高溫條件下其變化率不超過(guò)一倍,即認(rèn)為是穩(wěn)定的。
⑨非線性指數(shù)α:指電壓的變化對(duì)電流的影響能力,可用公式表示為:
I=KUα或α=loglog
由前式可見(jiàn),α越大表明電壓的變化對(duì)電流的影響能力越大,非線性特性越好。由后式可見(jiàn),α是伏安特性上各點(diǎn)斜率的倒數(shù),特性越平坦的地方,α越大(漏電流區(qū)和飽和區(qū)α=1,又稱(chēng)低α區(qū))。用儀器測(cè)量時(shí),一般設(shè)定 I2=1mA,I1=0.1mA,所以
αT=1/log(U1mA/U0.1mA)
五、壓敏電阻的降額特性
對(duì)壓敏電阻進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí),隨著所要進(jìn)行的沖擊次數(shù)的增加,每次所施加的沖擊電流要相應(yīng)地減小。例如:Ф20 基片的標(biāo)準(zhǔn)壓敏電阻(U1mA≥82V 的),其降額特性如下表所示(可從廠家給出的浪涌壽命次數(shù)定額曲線中查到):
允許沖擊次數(shù) 1 次 2 次 10 次 100 次 1000 次 10000 次
每次沖擊電流 6500A4000A2000A1000A430A200A
六、壓敏電阻的測(cè)量
測(cè)量時(shí)將萬(wàn)用表置 10k 檔,表筆接于電阻兩端,萬(wàn)用表上應(yīng)顯示出壓敏電阻上標(biāo)示的阻值,如果超出這個(gè)數(shù)值很大,則說(shuō)明壓敏電阻已損
七、壓敏電阻的選型
壓敏電阻的選用,一般選擇標(biāo)稱(chēng)壓敏電壓 V1mA 和通流容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。
1、所謂壓敏電壓,即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值,大多數(shù)情況下用 1mA 直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測(cè)得的電壓值,其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從 10-9000V 不等??筛鶕?jù)具體需要正確選用。一般 1mA=“1”.5Vp=“2”.2VAC,式中,Vp 為電路額定電壓的峰值。VAC 為額定交流電壓的有效值。ZnO 壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的,它關(guān)系到保護(hù)效果與使用壽命。如一臺(tái)用電器的額定電源電壓為 220V,則壓敏電阻電壓值 V1mA=“1”.5Vp=“1”.5××220V=“476V”,V1mA=“2”.2VAC=“2”.2×220V=“484V”,因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在 470-480V 之間。
2、所謂通流容量,即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為 25℃情況下,對(duì)于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言,壓敏電壓的變化不超過(guò)±10%時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長(zhǎng)器件的使用壽命,ZnO 壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量。然而從保護(hù)效果出發(fā),要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下,實(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計(jì)算的,則選用 2-20KA 的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿足使用要求時(shí),可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用,并聯(lián)后的壓敏電不變,其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同,否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。
八、壓敏電阻的使用
壓敏電阻一般并聯(lián)在電路中使用,當(dāng)電阻兩端的電壓發(fā)生急劇變化時(shí),電阻短路將電流保險(xiǎn)絲熔斷,起到保護(hù)作用。壓敏電阻在電路中,常用于電源過(guò)壓保護(hù)和穩(wěn)壓。
電源防雷器的可靠性、安全性在很大程度上依賴于壓敏電阻的正確使用,以下原則可供使用參考。特別要指出的是,在電源防雷設(shè)計(jì)中還要考慮各個(gè)地方的電源質(zhì)量差別、雷擊頻度和強(qiáng)度的差別、被保護(hù)設(shè)備的安裝使用情況和沖擊耐受能力等的差別,不能用一個(gè)公式照搬照套。設(shè)計(jì)好的防雷保護(hù)裝置必須在現(xiàn)場(chǎng)使用條件下或盡可能接近真實(shí)情況的模擬條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
①壓敏電壓的計(jì)算:
一般可用下式計(jì)算:
U1mA=KUac
式中:K 為與電源質(zhì)量有關(guān)的系數(shù),一般取 K=(2~3),電源質(zhì)量較好的城市可取小些,電源質(zhì)量較差的農(nóng)村(特別是山區(qū))可取大些。Uac 為交流電源電壓有效值。對(duì)于 220V~240V 交流電源防雷器,應(yīng)選用壓敏電壓為 470V~620V 的壓敏電阻較合適。選用壓敏電壓高一點(diǎn)的壓敏電阻,可以降低故障率,延長(zhǎng)使用壽命,但殘壓略有增大。
②標(biāo)稱(chēng)放電電流的計(jì)算:
壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)放電電流應(yīng)大于要求承受的浪涌電流或每年可能出現(xiàn)的最大浪涌電流。標(biāo)稱(chēng)放電電流應(yīng)按壓敏電阻浪涌壽命次數(shù)定額曲線中沖擊 10 次以上的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,約為最大沖擊通流量的 30%(即 0.3IP)左右。
③壓敏電阻的并聯(lián):
當(dāng)一個(gè)壓敏電阻滿足不了標(biāo)稱(chēng)放電電流的要求時(shí),應(yīng)采用多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)使用。有時(shí)為了降低限制電壓,即使標(biāo)稱(chēng)放電電流滿足要求也采用多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)。要特別注意的是,壓敏電阻并聯(lián)使用時(shí),一定要嚴(yán)格挑選參數(shù)一致的(例如:ΔU1mA≤3V,Δα≤3)進(jìn)行配對(duì),以保證電流的均勻分配。
九、壓敏電阻使用時(shí)的注意事項(xiàng)
壓敏電阻的失效模式通常是短路,為了防止壓敏電阻的失效造成電源短路而起火,可以在每個(gè)壓敏電阻上串聯(lián)一個(gè)溫度保險(xiǎn)管或熱脫離機(jī)構(gòu)。溫度保險(xiǎn)管應(yīng)與壓敏電阻有良好的熱耦合,當(dāng)壓敏電阻失效(高阻抗短路)時(shí),它所產(chǎn)生的熱量把溫度保險(xiǎn)管熔斷,從而使失效的壓敏電阻與電路分離,確保設(shè)備的安全。
當(dāng)較高的工頻暫時(shí)過(guò)電壓作用在壓敏電阻上時(shí),可能使壓敏電阻瞬間擊穿短路(低阻抗短路),而溫度保險(xiǎn)管還來(lái)不及熔斷,還可能起火。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生,可在每個(gè)壓敏電阻上再串聯(lián)一個(gè)耐沖擊工頻保險(xiǎn)絲(單用工頻保險(xiǎn)絲則在老化失效時(shí)可能不熔斷)。也可以把壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)使用,正常工作時(shí)陶瓷氣體放電管不導(dǎo)通,壓敏電阻沒(méi)有漏電流,可以大大延長(zhǎng)使用壽命;受浪涌沖擊時(shí),陶瓷氣體放電管首先擊穿,然后由壓敏電阻限制浪涌電壓,總的殘壓為兩者之和,略有增大(幾十伏);沖擊過(guò)去后,由于壓敏電阻限制了電流,放電管不能維持導(dǎo)通而熄弧,恢復(fù)為正常工作狀態(tài);當(dāng)壓敏電阻短路失效后,因陶瓷氣體放電管流過(guò)很大的工頻電流也會(huì)很快失效,但它的失效模式絕大多數(shù)是開(kāi)路,因而不易引起火災(zāi)。
所以,我們?cè)O(shè)備中壓敏電阻的選型基本沒(méi)有錯(cuò)誤,根據(jù)公式,應(yīng)該選取壓敏電壓即標(biāo)稱(chēng)電壓為 130V 的壓敏電阻,根據(jù)就上不就下的原則,實(shí)際應(yīng)該選取 14D151 型號(hào)。而且,在實(shí)際使用方法上,我們不應(yīng)該直接將壓敏電阻并接,根據(jù)實(shí)際情況,應(yīng)該把壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)使用。
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