壓敏電阻選用的基本知識(shí).doc

壓敏電阻選用的基本知識(shí) 壓敏電阻選用的基本知識(shí)什么是壓敏電阻器及其分類與參數(shù)? 壓敏電阻器簡(jiǎn)稱VSR，是一種對(duì)電壓敏感的非線性過(guò)電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。它在電路中用文字符號(hào)RV或R表示，圖1-21是其電路圖形符號(hào)。（一）壓敏電阻器的種類壓敏電阻器可以按結(jié)構(gòu)、制造過(guò)程、使用材料和伏安特性分類。1按結(jié)構(gòu)分類 壓敏電阻器按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)型壓敏電阻器、體型壓敏電阻器、單顆粒層壓敏電阻器和薄膜壓敏電阻器等。結(jié)型壓敏電阻器是因?yàn)殡娮梵w與金屬電極之間的特殊接觸，才具有了非線性特性，而體型壓敏電阻器的非線性是由電阻體本身的半導(dǎo)體性質(zhì)決定的。2按使用材料分類 壓敏電阻器按其使用材料的不同可分為氧化鋅壓敏電阻器、碳化硅壓敏電阻器、金屬氧化物壓敏電阻器、鍺（硅）壓敏電阻器、鈦酸鋇壓敏電阻器等多種。3按其伏安特性分類 壓敏電阻器按其伏安特性可分為對(duì)稱型壓敏電阻器（無(wú)極性）和非對(duì)稱型壓敏電阻器（有極性）。（二）壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性與作用1壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性 壓敏電阻器與普通電阻器不同，它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的非線性特性制成的。圖1-22是壓敏電阻器外形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-23所示。普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓超過(guò)其最大限制電壓時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無(wú)法再自行恢復(fù)。2壓敏電阻器的作用與應(yīng)用 壓敏電阻器廣泛地應(yīng)用在家用電器及其它電子產(chǎn)品中，起過(guò)電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等作用。圖1-24是壓敏電阻器的典型應(yīng)用電路。（三）壓敏電阻器的主要參數(shù)壓敏電阻器的主要參數(shù)有標(biāo)稱電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)、電壓非線性系數(shù)、絕緣電阻、靜態(tài)電容等。1壓敏電壓： 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109000V不等?？筛鶕?jù)具體需要正確選用。一般V1mA=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=1.51.414220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470480V之間。MYG05K規(guī)定通過(guò)的電流為0.1mA，MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標(biāo)稱電壓是指通過(guò)1mA直流電流時(shí)，壓敏電阻器兩端的電壓值。2最大允許電壓（最大限制電壓）：此電壓分交流和直流兩種情況，如為交流，則指的是該壓敏電阻所允許加的交流電壓的有效值，以ACrms表示，所以在該交流電壓有效值作用下應(yīng)該選用具有該最大允許電壓的壓敏電阻，實(shí)際上V1mA與ACrms間彼此是相互關(guān)聯(lián)的，知道了前者也就知道了后者，不過(guò)ACrms對(duì)使用者更直接，使用者可根據(jù)電路工作電壓，可以直接按ACrms來(lái)選取合適的壓敏電阻。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適當(dāng)?shù)陌踩６取?duì)直流而言在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (1.62)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) (2.22.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適當(dāng)?shù)陌踩６取Ｔ谛盘?hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA)(1.21.5)Umax，式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。3通流容量： 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。簡(jiǎn)單的講-通流容量也稱通流量，是指在規(guī)定的條件（以規(guī)定的時(shí)間間隔和次數(shù)，施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流）下，允許通過(guò)壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。一般過(guò)壓是一個(gè)或一系列的脈沖波。實(shí)驗(yàn)壓敏電阻所用的沖擊波有兩種，一種是為8/20s波，即通常所說(shuō)的波頭為8s波尾時(shí)間為20s的脈沖波，另外一種為2ms的方波，如下圖所示： 4最大限制電壓： 最大限制電壓是指壓敏電阻器兩端所能承受的最高電壓值，它表示在規(guī)定的沖擊電流Ip通過(guò)壓敏電阻時(shí)次兩端所產(chǎn)生的電壓此電壓又稱為殘壓，所以選用的壓敏電阻的殘壓一定要小于被保護(hù)物的耐壓水平Vo,否則便達(dá)不到可靠的保護(hù)目的，通常沖擊電流Ip值較大，例如2.5A或者10A，因而壓敏電阻對(duì)應(yīng)的最大限制電壓Vc相當(dāng)大，例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A時(shí))。5最大能量(能量耐量)： 壓敏電阻所吸收的能量通常按下式計(jì)算W=kIVT(J)其中I流過(guò)壓敏電阻的峰值 V在電流I流過(guò)壓敏電阻時(shí)壓敏電阻兩端的電壓 T電流持續(xù)時(shí)間 k電流I的波形系數(shù)對(duì)： 2ms的方波 k=1 8/20s波 k=1.4 10/1000s k=1.4 壓敏電阻對(duì)2ms方波，吸收能量可達(dá)330J每平方厘米；對(duì)8/20s波，電流密度可達(dá)2000A每立方厘米，這表明他的通流能力及能量耐量都是很大的 一般來(lái)說(shuō)壓敏電阻的片徑越大，它的能量耐量越大，耐沖擊電流也越大，選用壓敏電阻時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)常遇到能量較小、但出現(xiàn)頻率次數(shù)較高的過(guò)電壓，如幾十秒、一兩分鐘出現(xiàn)一次或多次的過(guò)電壓，這時(shí)就應(yīng)該考慮壓敏電阻所能吸收的平均功率。6電壓比： 電壓比是指壓敏電阻器的電流為1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值之比。7額定功率： 在規(guī)定的環(huán)境溫度下所能消耗的最大功率。8最大峰值電流 一次：以8/20s標(biāo)準(zhǔn)波形的電流作一次沖擊的最大電流值，此時(shí)壓敏電壓變化率仍在10%以內(nèi)。2次：以8/20s標(biāo)準(zhǔn)波形的電流作兩次沖擊的最大電流值，兩次沖擊時(shí)間間隔為5分鐘，此時(shí)壓敏電壓變化率仍在10%以內(nèi)。9殘壓比： 流過(guò)壓敏電阻器的電流為某一值時(shí)，在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱為這一電流值為殘壓。殘壓比則的殘壓與標(biāo)稱電壓之比。10漏電流： 漏電流又稱等待電流，是指壓敏電阻器在規(guī)定的溫度和最大直流電壓下，流過(guò)壓敏電阻器的電流。11電壓溫度系數(shù)： 電壓溫度系數(shù)是指在規(guī)定的溫度范圍（溫度為2070）內(nèi)，壓敏電阻器標(biāo)稱電壓的變化率，即在通過(guò)壓敏電阻器的電流保持恒定時(shí)，溫度改變1時(shí)壓敏電阻兩端的相對(duì)變化。12電流溫度系數(shù)： 電流溫度系數(shù)是指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時(shí)，溫度改變1時(shí)，流過(guò)壓敏電阻器電流的相對(duì)變化。 13電壓非線性系數(shù)： 電壓非線性系數(shù)是指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下，其靜態(tài)電阻值與動(dòng)態(tài)電阻值之比。14絕緣電阻： 絕緣電阻是指壓敏電阻器的引出線（引腳）與電阻體絕緣表面之間的電阻值。15靜態(tài)電容： 靜態(tài)電容是指壓敏電阻器本身固有的電容容量。-(0k 3$9eU 2 壓敏電阻器的應(yīng)用原理 B5_><|( 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。 eenWWl 壓敏電阻器的應(yīng)用廣泛,壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路、帶饋電的天饋線路。從手持式電子產(chǎn)品到工業(yè)設(shè)備，其規(guī)格與尺寸多種多樣。隨著手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，尤其是手機(jī)、手提電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、醫(yī)療儀器等，其電路系統(tǒng)的速度要求更高，并且要求工作電壓更低，這就對(duì)壓敏電阻器提出了體積更小、性能更高的要求。因此，表面組裝的壓敏電阻器元件也就開(kāi)始大量涌現(xiàn)，而其銷售年增長(zhǎng)率要高于有引線的壓敏電阻器一倍多。 +bKzzB 預(yù)計(jì)2002年壓敏電阻器的市場(chǎng)增長(zhǎng)率為13，其中，多層片式壓敏電阻器市場(chǎng)增長(zhǎng)率為2030，徑向引線產(chǎn)品增長(zhǎng)率為510。需求主要來(lái)自于電源設(shè)備，包括DC電源設(shè)備、不間斷電源，以及新的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如數(shù)字音頻/視頻設(shè)備、視頻游戲，數(shù)字相機(jī)等。片式壓敏電阻器已占美國(guó)市場(chǎng)銷售總額的4045。（0402）尺寸的片式壓敏電阻器最受歡迎。0201尺寸的產(chǎn)品尚未上市。AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓范圍的產(chǎn)品，它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產(chǎn)品)360pF(5.6V的產(chǎn)品)。MaidaDevelopment公司也生產(chǎn)片式系列的壓敏電阻器，但目前只推出了非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的產(chǎn)品，1210、1206、0805、0603和0402的產(chǎn)品正在試產(chǎn)。 eBfyQu Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產(chǎn)品。AVX和Littelfuse公司已推出電壓抑制器陣列，如AVX推出的Multiguard系列四聯(lián)多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器陣列（即壓敏電阻器陣列）已經(jīng)被市場(chǎng)接納?？晒?jié)省50的板上空間，75的生產(chǎn)裝配成本。Multiguad系列采用1206型規(guī)格。其中有一種雙聯(lián)元件采用0805規(guī)格，工作電壓有5.6V、9V、14V和18V等幾種，額定功率為0.1J。AVX公司推出Transfeed多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器。該產(chǎn)品綜合了公司Transguard系列壓敏電阻器和Feedthru系列電容器/濾波器的功能。采用0805規(guī)格。該組件具有性能優(yōu)勢(shì)，更快的導(dǎo)通時(shí)間（或稱響應(yīng)時(shí)間，在200ps250ps之間）和更小的并行系數(shù)。 6zX0 Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規(guī)格，內(nèi)裝4只多層壓敏電阻器。該產(chǎn)品的ESD達(dá)到IEC67100042第四級(jí)水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_典型值50dB（頻率1MHz時(shí)），在額定電壓工作狀態(tài)下，漏電流為5A,工作電壓高達(dá)18V，電容值可由用戶指定。這種MLN貼片組件可用于板級(jí)ESD保護(hù)，應(yīng)用領(lǐng)域包括手持式產(chǎn)品、電腦產(chǎn)品、工業(yè)及醫(yī)療儀器等。 lZ prD= EPCOS公司推出了T4NA230XFV集成浪涌抑制器，內(nèi)含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶線一側(cè)的通信設(shè)備保護(hù)。 PS;6g$NM = 9q(%s 3.壓敏電阻的選用 1、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用原理 壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。 壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。 壓敏電阻器與被保護(hù)的電器設(shè)備或元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過(guò)電壓或瞬態(tài)操作過(guò)電壓Vs時(shí)，壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備及元器件同時(shí)承受Vs，由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導(dǎo)電特性(見(jiàn)圖3中擊穿區(qū))，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs，這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過(guò)電壓Vs，從而使設(shè)備及元器件免遭過(guò)電壓的沖擊。2、氧化鋅壓敏電阻器壓敏電壓的選擇 根據(jù)被保護(hù)電源電壓選擇壓敏電阻器的規(guī)定電流下的電壓V1mA。一般選擇原則為：對(duì)于直流回路：V1mA2.0VDC對(duì)于交流回路：V1mA2.2V有效值 特別指出對(duì)于壓敏電阻壓敏電壓的選擇標(biāo)準(zhǔn)是要高于供電電壓，在能夠滿足可以保護(hù)需要保護(hù)器件的的同時(shí)，盡可能選擇壓敏電壓高的壓敏電阻，這樣不僅可以保護(hù)器件，也能提高壓敏電阻的使用壽命。比如要保護(hù)的器件耐壓為Vdc=550Vdc,器件的工作電壓V=300Vdc,那么我們選擇壓敏電阻就應(yīng)該是壓敏電壓為470V的壓敏電阻，壓敏電壓范圍是(423-517)，壓敏電壓最大負(fù)誤差470-47=423Vdc大于器件的供電電壓300Vac，最大正誤差為470+47=517Vdc小于器件的耐壓550Vdc。選用時(shí)還必須注意：（1）必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續(xù)工作電壓也不會(huì)超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；（2）在電源線與大地間使用壓敏電阻時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場(chǎng)合更高標(biāo)稱電壓的壓敏電阻器。3、通流量的選取 通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給定的波形、沖擊次數(shù)和間隙時(shí)間進(jìn)行脈沖試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品所能承受的最大電流值。而產(chǎn)品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時(shí)間的函數(shù)，當(dāng)電流波形幅值降低50時(shí)沖擊次數(shù)可增加一倍，所以在實(shí)際應(yīng)用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。4、應(yīng)用 圖1所示是采用壓敏電壓器進(jìn)行電路浪涌和瞬變防護(hù)時(shí)的電路連接圖。對(duì)于壓敏電阻的應(yīng)用連接，大致可分為四種類型： 第一種類型是電源線之間或電源線和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場(chǎng)合是在電源線及長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)線遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖等情況下對(duì)電子產(chǎn)品起保護(hù)作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對(duì)線間的感應(yīng)脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對(duì)傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若進(jìn)一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來(lái)，則可對(duì)浪涌脈沖有更好的吸收作用。 第二種類型為負(fù)荷中的連接，見(jiàn)圖1（b）。它主要用于對(duì)感性負(fù)載突然開(kāi)閉引起的感應(yīng)脈沖進(jìn)行吸收，以防止元件受到破壞。一般來(lái)說(shuō)，只要并聯(lián)在感性負(fù)載上就可以了，但根據(jù)電流種類和能量大小的不同，可以考慮與RC串聯(lián)吸收電路合用。 第三種類型是接點(diǎn)間的連接，見(jiàn)圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應(yīng)電荷開(kāi)關(guān)接點(diǎn)被電弧燒壞的情況發(fā)生，一般與接點(diǎn)并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。第四種類型主要用于半導(dǎo)體器件的保護(hù)連接，見(jiàn)圖1（d）。這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導(dǎo)體器件，一般采用與保護(hù)器件并聯(lián)的方式，以限制電壓低于被保護(hù)器件的耐壓等級(jí)，這對(duì)半導(dǎo)體器件是一種有效的保護(hù)。 5、選型原則 如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓V1mA較低、片徑較大的壓敏電阻器；如果Vo較高，則可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備，又能延長(zhǎng)壓敏電阻使用壽命。 壓敏電阻器主要應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的過(guò)電壓保護(hù)電路中，它有多種型號(hào)和規(guī)格。所選壓敏電阻器的主要參數(shù)（包括標(biāo)稱電壓、最大連續(xù)工作電壓、最大限制電壓、通流容量等）必須符合應(yīng)用電路的要求，尤其是標(biāo)稱電壓要準(zhǔn)確。標(biāo)稱電壓過(guò)高，壓敏電阻器起不到過(guò)電壓保護(hù)作用，標(biāo)稱電壓過(guò)低，壓敏電阻器容易誤動(dòng)作或被擊穿。 6、氧化鋅壓敏電阻器的使用方法 壓敏電阻器是一種無(wú)極性過(guò)電壓保護(hù)元件，無(wú)論是交流