壓敏電阻的使用方法選型詳解-德爾創(chuàng)
東莞市德爾創(chuàng)電子有限公司
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元素(Zn)和六價元素氧(O)所構(gòu)成。所以從材料的角度來看，氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體”。
對于我們設(shè)備中使用的壓敏電阻，原選用型號為14D101K，實際運行3個月中，此型號壓敏電阻經(jīng)常燒毀。后改為14D121K，實際運行3個月，沒有發(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“電阻值對電壓敏感”的阻器。相應(yīng)的英文名稱叫“VoltageDependentResistor”簡寫為“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)級變到mΩ(毫歐)級。當(dāng)電壓較低時，壓敏電阻工作于漏電流區(qū)，呈現(xiàn)很大的電阻，漏電流很??；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，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)一個很小的線性電阻，由于電流很大，時間一長就會使壓敏電阻過熱燒毀甚至炸裂。正常使用時壓敏電阻處于漏電流區(qū)，受到浪涌沖擊時進(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元素(Zn)和六價元素氧(O)所構(gòu)成。所以從材料的角度來看，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是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值"UN"時，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過UN時，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。
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)而造成對它們的損壞。使用時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，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，壓敏電阻器阻值極高，近乎開路，因而不會影響器件或電器設(shè)備的正常工作。
三、壓敏電阻的標(biāo)稱參數(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、過壓保護(hù)、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補償、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，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護(hù)時必須考慮到這一點。
四、壓敏電阻的特性參數(shù)
?、賶好綦妷篣N(U1mA)：通常以在壓敏電阻上通過1mA直流電流時的電壓來表示其是否導(dǎo)通的標(biāo)志電壓，這個電壓就稱為壓敏電壓UN。壓敏電壓也常用符號U1mA表示。壓敏電壓的誤差范圍一般是±10%。在試驗和實際使用中，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)。
?、谧畲蟪掷m(xù)工作電壓UC：指壓敏電阻能長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。
?、弁髁?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?！澳軌虺惺堋钡暮x是，沖擊后壓敏電壓的變化率不大于10%。現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)格書中通常都給出了沖擊1次的IP值。
?、茏畲篌槲浑妷?限制電壓)VC：技術(shù)規(guī)格書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)時壓敏電阻上呈現(xiàn)的電壓。
實際使用中，壓敏電壓越高，施加的沖擊電流越大，限制電壓(或稱殘壓)就越高，可從產(chǎn)品給出的V-I曲線上查到。
?、蓊~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見上，T為脈沖寬度，K為與波形有關(guān)的常數(shù)。對于8/20μs波和10/1000μs波，K=1.4；對于2ms方波，K=1。
?、揞~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時流過的電流。測量漏電流時，通常給壓敏電阻加上Udc=0.83U1mA的電壓(有時也用0.75U1mA)。一般要求靜態(tài)漏電流Il≤20μA(也有要求≤10μA的)。在實際使用中，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，即在沖擊試驗后或在高溫條件下的變化率。在沖擊試驗后或在高溫條件下其變化率不超過一倍，即認(rèn)為是穩(wěn)定的。
?、岱蔷€性指數(shù)α：指電壓的變化對電流的影響能力，可用公式表示為：
I=KUα或α=loglog
由前式可見，α越大表明電壓的變化對電流的影響能力越大，非線性特性越好。由后式可見，α是伏安特性上各點斜率的倒數(shù)，特性越平坦的地方，α越大(漏電流區(qū)和飽和區(qū)α=1，又稱低α區(qū))。用儀器測量時，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
對壓敏電阻進(jìn)行沖擊試驗時，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、壓敏電阻的測量
測量時將萬用表置10k檔，表筆接于電阻兩端，萬用表上應(yīng)顯示出壓敏電阻上標(biāo)示的阻值，如果超出這個數(shù)值很大，則說明壓敏電阻已損
七、壓敏電阻的選型
壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數(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測得的電壓值，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±10%時的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命，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，實際發(fā)生的通流量是很難精確計算的，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，可將幾只單個的壓敏電阻并聯(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，電阻短路將電流保險絲熔斷，起到保護(hù)作用。壓敏電阻在電路中，常用于電源過壓保護(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)計中還要考慮各個地方的電源質(zhì)量差別、雷擊頻度和強度的差別、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，不能用一個公式照搬照套。設(shè)計好的防雷保護(hù)裝置必須在現(xiàn)場使用條件下或盡可能接近真實情況的模擬條件下進(jìn)行試驗驗證。①壓敏電壓的計算：
一般可用下式計算：
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的壓敏電阻，可以降低故障率，延長使用壽命，但殘壓略有增大。
?、跇?biāo)稱放電電流的計算：
壓敏電阻的標(biāo)稱放電電流應(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)行計算，約為最大沖擊通流量的30%(即0.3IP)左右。
?、蹓好綦娮璧牟⒙?lián)：
當(dāng)一個壓敏電阻滿足不了標(biāo)稱放電電流的要求時，應(yīng)采用多個壓敏電阻并聯(lián)使用。有時為了降低限制電壓，即使標(biāo)稱放電電流滿足要求也采用多個壓敏電阻并聯(lián)。要特別注意的是，壓敏電阻并聯(lián)使用時，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，以保證電流的均勻分配。
九、壓敏電阻使用時的注意事項
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，可以在每個壓敏電阻上串聯(lián)一個溫度保險管或熱脫離機構(gòu)。溫度保險管應(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，它所產(chǎn)生的熱量把溫度保險管熔斷，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)較高的工頻暫時過電壓作用在壓敏電阻上時，可能使壓敏電阻瞬間擊穿短路(低阻抗短路)，而溫度保險管還來不及熔斷，還可能起火。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，可在每個壓敏電阻上再串聯(lián)一個耐沖擊工頻保險絲(單用工頻保險絲則在老化失效時可能不熔斷)。也可以把壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)使用，正常工作時陶瓷氣體放電管不導(dǎo)通，壓敏電阻沒有漏電流，可以大大延長使用壽命；受浪涌沖擊時，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很大的工頻電流也會很快失效，但它的失效模式絕大多數(shù)是開路，因而不易引起火災(zāi)。
所以，我們設(shè)備中壓敏電阻的選型基本沒有錯誤，根據(jù)公式，應(yīng)該選取壓敏電壓即標(biāo)稱電壓為130V的壓敏電阻，根據(jù)就上不就下的原則，實際應(yīng)該選取14D151型號。而且，在實際使用方法上，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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