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压敏电阻

[ 浏览次数:约896次 ] 发布日期:2017-08-03

      “压敏电阻"是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于在电路承受过压时进行电压钳位,吸收多余的电流以保护敏感器件。英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”, 或者叫做“Varistor"。压敏电阻器的电阻体材料是半导体,所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素锌(Zn)和六价元素氧(O)所构成。所以从材料的角度来看,氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。 在中国台湾,压敏电阻器称为"突波吸收器",有时也称为“电冲击(浪涌)抑制器(吸收器)”。

压敏电阻.jpg

目录
压敏电阻的工作原理
压敏电阻的作用
压敏电阻应用类型
压敏电阻基本性能
压敏电阻基本参数
压敏电阻动作原理

  压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有:压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

  压敏电阻的响应时间为ns级,比气体放电管快,比TVS管稍慢一些,一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千Pf的数量级范围,很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中,应用在交流电路的保护中时,因为其结电容较大会增加漏电流,在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大,但比气体放电管小。压敏电阻器简称VDR,是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。


  压敏电阻的工作原理


  l 当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时,流过它的电流极小,它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说,当加在它上面的电压低于其阈值时,它相当于一个断开状态的开关[1] 。

  l 当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时,流过它的电流激增,它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说,当加在它上面的电压高于其阈值时,它相当于一个闭合状态的开关。


  压敏电阻的作用


  压敏电阻有什么用?压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门,当电压超过UN时,它的阻值变小,这样就使得流过它的电流激增而对其他电路的影响变化不大从而减小过电压对后续敏感电路的影响。利用这一功能,可以抑制电路中经常出现的异常过电压,保护电路免受过电压的损害。

  例如:我们家用的彩电的电源电路中就使用了氧化锌压敏电阻,这里使用的压敏电阻压敏电压为470V,当瞬态的浪涌电压最大值(非有效值)超过470V时,压敏电阻就是体现他的钳位特性,把过高的电压拉低,让后级电路工作在一个安全的范围内。


  压敏电阻应用类型


  不同的使用场合,应用压敏电阻的目的,作用在压敏电阻上的电压/电流应并不相同,

  因而对压敏电阻的要求也不相同,注意区分这种差异,对于正确使用是十分重要的。

  根据使用目的的不同,可将压敏电阻区分为两大类:①保护用压敏电阻,②电路功能用压敏电阻。

  保护电阻

  (1) 区分是电源保护用压敏电阻器,还是信号线、数据线保护用压敏电阻器,它们要满足不同的技术标准的要求。

  (2) 根据施加在压敏电阻上的连续工作电压的不同,可将跨电源线用压敏电阻器区分为交流用或直流用两种类型,压敏电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同。

  (3) 根据压敏电阻承受的异常过电压特性的不同,可将压敏电阻区分为浪涌抑制型、高功率型和高能型这三种类型。

  ★浪涌抑制型:是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态

  过电压的压敏电阻器,这种瞬态过电压的出现是随机的,非周期的,电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。

  ★高功率型:是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器,例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻,这里冲击电压周期出现,且周期可知,能量值一般可以计算出来,电压的峰值并不大,但因出现频率高,其平均功率相当大。

  ★高能型:指用于吸收发电机励磁线圈,起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器,对这类应用,主要技术指标是能量吸收能力。

  压敏电阻器的保护功能,绝大多数应用场合下,是可以多次反复作用的,但有时也将它做成电流保险丝那样的"一次性"保护器件。例如并接在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。

  作用

  压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护,但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性,还使它具有多种电路元件功能,例如可用作:

  (1)直流高压小电流稳压元件,其稳定电压可高达数千伏以上,这是硅稳压管无法达到的。

  (2)电压波动检测元件。

  (3)直流电平移位元件。

  (4)均压元件。

  (5)荧光启动元件


  压敏电阻基本性能


  (1)保护特性,当冲击源的冲击强(或冲击电流Isp=Usp/Zs)不超过规定值时,压敏电阻的限制电压不允许超过被保护对象所能承受的冲击耐电压(Urp)。

  压敏电阻产品(26张)

  (2)耐冲击特性,即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流,冲击能量,以及多次冲击相继出现时的平均功率。

  (3)寿命特性有两项,一是连续工作电压寿命,即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间(小时数)。二是冲击寿命,即能可靠地承受规定的冲击的次数。

  (4)压敏电阻介入系统后,除了起到"安全阀"的保护作用外,还会带入一些附加影响,这就是所谓"二次效应",它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项,一是压敏电阻本身的电容量(几十到几万PF),二是在系统电压下的漏电流,三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。


  压敏电阻基本参数


  1. 标称压敏电压(V):指通过规定持续时间的脉冲电流(一般为1mA 持续时间一般小于400mS)时压敏电阻器两端的电压值。

  2.电压比:指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。

  3. 最大限制电压(V):在压敏能承受的最大脉冲峰值电流Ip及规定波形下压敏电阻两端电压峰值。

  4. 残压比:通过压敏电阻器的电流为某一值时,在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。残压比则是残压与标称电压之比。

  5. 通流容量(kA):通流容量也称通流量,是指在规定的条件(规定的时间间隔和次数,施加标准的冲击电流)下,允许通过压敏电阻器上的最大脉冲(峰值)电流值。

  6. 漏电流(mA):漏电流也称等待电流,是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下,流过压敏电阻器电流。

  7. 电压温度系数:指在规定的温度范围(温度为20℃~70℃)内,压敏电阻器标称电压的变化率,即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时,温度改变1℃时,压敏电阻器两端电压的相对变化。

  8. 电流温度系数:指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时,温度改变1℃时,流过压敏电阻器电流的相对变化。

  9. 电压非线性系数:指压敏电阻器在给定的外加电压作用下,其静态电阻值与动态电阻值之比。

  10. 绝缘电阻:指压敏电阻器的引出线(引脚)与电阻体绝缘表面之间的电阻值。

  11. 静态电容量(PF):指压敏电阻器本身固有的电容容量。

  12 .额定功率:在特定的环境温度85℃下工作1000小时,使压敏电压变化小于10%的最大功率。

  13 .最大冲击电流(8/20us):以特定的脉冲电流(8/20us波形)冲击压敏电阻器一次或两次(每次间隔5分钟), 使的压敏电压变化仍在10%以内的最大冲击电流。


  压敏电阻动作原理


  突波吸收器之保护原理: 压敏电阻在预备状态时,相对于受保护之电子组件而言, 具有很高的阻抗(数兆欧姆)而且不会影响原设计电路之特性。 但当瞬间突波电压出现(超过突波吸收器之崩溃电压时), 该突波吸收器之阻抗会变低(仅有几个欧姆)并造成线路短路,也因此电子产品或较昂贵之组件受到保护。

  金属氧化

  最常见的压敏电阻是金属氧化物压敏电阻(MOV, Metal Oxide Varistor),它包含由氧化锌颗粒与少量其他金属氧化物或聚合物间隔构成的陶瓷块,夹于两金属片间。颗粒与邻近氧化物交界处会形成二极管效应,由于有大量杂乱颗粒,使得它等同于一大堆背向相连的二极管,低电压时只有很小的逆向漏电电流,当遇到高电压时,二极管因热电子与隧道效应而发生逆向崩溃,流通大电流。因此,压敏电阻的电流-电压特性曲线具有高度的非线性: 低电压时电阻高、高电压时电阻低。

  由于主要成份或品牌的不同,金属氧化物压敏电阻有时还可以看到这些名称: ZNR (Zinc-Oxide Non-linear Resistor, 氧化锌非线性电阻)、ZOV (Zinc-oxide Varistor)、CNR (Composite Nonlinear Resistor[2]),TNR (Titanium-oxide based Non-linear Resistor, 氧化钛非线性电阻, 不过也可能是 Toshiba Non-linear Resistor, 东芝公司的非线性电阻等。

  成份种类

  氧化锌,Zinc Oxide,ZnO

  碳化硅,Silicon Carbide,SiC

  氧化钛,Titanium Oxide,TiO2

  氧化锌压敏电阻器应用原理

  压敏电阻器与被保护的电器设备或元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或瞬态操作过电压Vs时,压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受Vs,由于压敏电阻器响应速度很快,它以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性,此时压敏电阻器两端电压迅速下降,远远小于Vs,这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于过电压Vs,从而使设备及元器件免遭过电压的冲击。

  压敏电阻应用

  1.压敏电压:指在规定的温度和直流(一般为1mA或0.1mA)下,压敏电阻器两端的电压值。记为V1mA或V0.1mAo

  2.最大连续电压:指在规定环境温度下,能长期持续加在压敏电阻器两端的最大正弦交流电压有效值或最大直流电压值

  3.限制电压:指在压敏电阻器中通过规定大小的冲击电流(8,20μs)时,其两端的最大电压峰值。

  4.额定功率:指在规定的环境温度下,可施加给压敏电阻器的最大平均冲击功率。

  5.最大能量:在压敏电压变化不超过±10%,冲击电流波形为10,1000μs或2ms的条件下,可施加给压敏电阻的最大一次冲击能量。

  6.通流容量(最大冲击电流)

  型号

  常用的压敏电阻型号:5D、7D、10D、14D、20D、32D等型号,压敏电阻还有防暴的功能

  压敏电阻的选用及注意事项

  选用压敏电阻器前,应先了解以下相关技术参数:标称电压是指在规定的温度和直流电流下,压敏电阻器两端的电压值[3] 。漏电流是指在25℃条件下,当施加最大连续直流电压时,压敏电阻器中流过的电流值。等级电压是指压敏电阻中通过8/20等级电流脉冲时在其两端呈现的电压峰值[3] 。通流量是表示施加规定的脉冲电流(8/20μs)波形时的峰值电流[3] 。浪涌环境参数包括最大浪涌电流Ipm(或最大浪涌电压Vpm和浪涌源阻抗Zo)、浪涌脉冲宽度Tt、相邻两次浪涌的最小时间间隔Tm以及在压敏电阻器的预定工作寿命期内,浪涌脉冲的总次数N等。

  一般地说,压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源波动情况最坏时,也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压,该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用,压敏电压值应大于实际电路的电压值,一般应使用下式进行选择:VmA=av/bc式中[4] :

  a为电路电压波动系数;v为电路直流工作电压(交流时为有效值);b为压敏电压误差;c为元件的老化系数,;这样计算得到的VmA实际数值是直流工作电压的1.5倍[4] ,在交流状态下还要考虑峰值,因此计算结果应扩大1.414倍[5] 。

  另外,选用时还必须注意:

  (1)必须保证在电压波动最大时,连续工作电压也不会超过最大允许值,否则将缩短压敏电阻的使用寿命;

  (2)在电源线与大地间使用压敏电阻时,有时由于接地不良而使线与地之间电压上升,所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器[6] 。

  压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。

  压敏电阻优点

  各种直径尺寸:SMD、5mm、7mm、10mm、14mm、20

  压敏电阻 图形符号 mm、25mm、32mm、34mm、40mm、53mm

  广泛的可变电阻电压范围:18V-1800V

  多种浪涌承受能力:标准、高浪涌、超高浪涌

  大电流处理和能量吸收能力

  单体通流量可达到70KA甚至更高

  快反应时间

  低泄露电流

  多种引线形式:直、弯和其他特殊引线类型

  多种包装形式:散装、卷装包装、卷包装

  压敏电阻应用范围

  电源系统

  浪涌抑制器

  安防系统

  电动机保护

  汽车电子系统

  家用电器


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