壓敏電阻

壓敏電阻

壓敏電阻是指在一定電流電壓範圍內電阻值隨電壓而變,也可以說是"電阻值對電壓敏感"的阻器。“壓敏電阻"是一種具有非線性伏安特性的電阻器件,主要用於在電路承受過壓時進行電壓嵌位,吸收多餘的電流以保護敏感器件。英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor”簡寫為“VDR”, 或者叫做“Varistor"。壓敏電阻器的電阻體材料是半導體,所以它是半導體電阻器的一個品種。現在大量使用的"氧化鋅"(ZnO)壓敏電阻器,它的主體材料有二價元素鋅(Zn)和六價元素氧(O)所構成。所以從材料的角度來看,氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導體”。在中國台灣,壓敏電阻器稱為"突波吸收器",有時也稱為“電衝擊(浪涌)抑制器(吸收器)”。

基本信息

簡介

壓敏電阻壓敏電阻
壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性,當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間,壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值,從而實現對後級電路的保護。壓敏電阻的主要參數有:壓敏電壓、通流容量、結電容、回響時間等。
壓敏電阻的回響時間為ns級,比空氣放電管快,比TVS管稍慢一些,一般情況下用於電子電路的過電壓保護其回響速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千Pf的數量級範圍,很多情況下不宜直接套用在高頻信號線路的保護中,套用在交流電路的保護中時,因為其結電容較大會增加漏電流,在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大,但比氣體放電管小。
壓敏電阻器簡稱VSR,是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護半導體元件。它在電路中用文字元號“RV”或“R”表示,圖片是其電路圖形符號。
“壓敏電阻”是中國大陸的名詞,意思是"在一定電流電壓範圍內電阻值隨電壓而變",或者是說"電阻值對電壓敏感"的阻器。壓敏電阻器的電阻體材料是半導體,所以它是半導體電阻器的一個品種。現在大量使用的"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族氧化物半導體”。
在中國台灣,壓敏電阻器是按其用途來命名的,稱為"突波吸收器"。壓敏電阻器按其用途有時也稱為“電衝擊(浪涌)抑制器(吸收器)”。

優點與套用範圍

優點

各種直徑尺寸:SMD、5mm、7mm、10mm、14mm、20mm、25mm、32mm、34mm、40mm、53mm
廣泛的可變電阻電壓範圍:18V-1800V
多種浪涌承受能力:標準、高浪涌、超高浪涌
大電流處理和能量吸收能力
單體通流量可達到70KA甚至更高
快反應時間
低泄露電流
多種引線形式:直、彎和其他特殊引線類型
多種包裝形式:散裝、卷裝包裝、卷包裝

套用範圍

電源系統
浪涌抑制器
安防系統
電動機保護
汽車電子系統
家用電器

作用

壓敏電阻廣泛的被套用在電子線路中,來防護因為電力供應系統的瞬時電壓突變所可能對電路的傷害。當高壓來到時,壓敏電阻的電阻降低而將電流予以分流,防止受到過大的瞬時電壓破壞或干擾。因而保護了敏感的電子組件。
不過,不要把壓敏電阻的作用想的太大了,壓敏電阻是不可以可以提供完整的電壓保護的,壓敏電阻所能承受的能量或功率是有限,不能提供持續性的過電壓保護。持續的過電壓會破壞保護裝置(壓敏電阻),並對設備造成損害,並可能有著火的危險。壓敏電阻不能提供保護的部分還有:開機時的衝擊電流、短路時的過電流、電壓突降等情況,這些情況需要其他方式的防護。此外,也有少數保護裝置會偵測電源電壓,如超過危險限度時會以繼電器將電源切離。
注意事項
溫度保險管應與壓敏電阻有良好的熱耦合,當壓敏電阻失效(高阻抗短路)時,它所產生的熱量把溫度保險管熔斷,使失效的壓敏電阻與電路分離,確保設備的安全。當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。為避免這種現象發生,可在每個壓敏電阻上再串聯一個耐衝擊工頻保險絲(單用工頻保險絲則在老化失效時可能不熔斷)

基本性能

(1)保護特性,當衝擊源的衝擊強(或衝擊電流Isp=Usp/Zs)不超過規定值時,壓敏電阻的限制電壓不允許超過被保護對象所能承受的衝擊耐電壓(Urp)。
(2)耐衝擊特性,即壓敏電阻本身應能承受規定的衝擊電流,衝擊能量,以及多次衝擊相繼出現時的平均功率。
(3)壽命特性有兩項,一是連續工作電壓壽命,即壓敏電阻在規定環境溫度和系統電壓條件應能可靠地工作規定的時間(小時數)。二是衝擊壽命,即能可靠地承受規定的衝擊的次數。
(4)壓敏電阻介入系統後,除了起到"安全閥"的保護作用外,還會帶入一些附加影響,這就是所謂"二次效應",它不應降低系統的正常工作性能。這時要考慮的因素主要有三項,一是壓敏電阻本身的電容量(幾十到幾萬PF),二是在系統電壓下的漏電流,三是壓敏電阻的非線性電流通過源阻抗的耦合對其他電路的影響。

基本參數

1.標稱壓敏電壓(V):指通過規定持續時間的脈衝電流(一般為1mA持續時間一般小於400mS)時壓敏電阻器兩端的電壓值。
2.電壓比:指壓敏電阻器的電流為1mA時產生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時產生的電壓值之比。
3.最大限制電壓(V):在壓敏能承受的最大脈衝峰值電流Ip及規定波形下壓敏電阻兩端電壓峰值。
4.殘壓比:通過壓敏電阻器的電流為某一值時,在它兩端所產生的電壓稱為這一電流值的殘壓。殘壓比則是殘壓與標稱電壓之比。
5.通流容量(kA):通流容量也稱通流量,是指在規定的條件(規定的時間間隔和次數,施加標準的衝擊電流)下,允許通過壓敏電阻器上的最大脈衝(峰值)電流值。
6.漏電流(mA):漏電流也稱等待電流,是指壓敏電阻器在規定的溫度和最大直流電壓下,流過壓敏電阻器電流。
7.電壓溫度係數:指在規定的溫度範圍(溫度為20℃~70℃)內,壓敏電阻器標稱電壓的變化率,即在通過壓敏電阻器的電流保持恆定時,溫度改變1℃時,壓敏電阻器兩端電壓的相對變化。
8.電流溫度係數:指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恆定時,溫度改變1℃時,流過壓敏電阻器電流的相對變化。
9.電壓非線性係數:指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下,其靜態電阻值與動態電阻值之比。
10.絕緣電阻: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。
11.靜態電容量(PF):指壓敏電阻器本身固有的電容容量
12.額定功率:在特定的環境溫度85℃下工作1000小時,使壓敏電壓變化小於10%的最大功率。
13.最大衝擊電流(8/20us):以特定的脈衝電流(8/20us波形)衝擊壓敏電阻器一次或兩次(每次間隔5分鐘),使的壓敏電壓變化仍在10%以內的最大衝擊電流。

金屬氧化

最常見的壓敏電阻是金屬氧化物壓敏電阻(MOV,MetalOxideVaristor),它包含由氧化鋅顆粒與少量其他金屬氧化物或聚合物間隔構成的陶瓷塊,夾於兩金屬片間。顆粒與鄰近氧化物交界處會形成二極體效應,由於有大量雜亂顆粒,使得它等同於一大堆背向相連的二極體,低電壓時只有很小的逆向漏電電流,當遇到高電壓時,二極體因熱電子與隧道效應而發生逆向崩潰,流通大電流。因此,壓敏電阻的電流-電壓特性曲線具有高度的非線性:低電壓時電阻高、高電壓時電阻低。
由於主要成份或品牌的不同,金屬氧化物壓敏電阻有時還可以看到這些名稱:ZNR(Zinc-OxideNon-linearResistor,氧化鋅非線性電阻)、ZOV(Zinc-oxideVaristor)、CNR(CompositeNonlinearResistor[2]),TNR(Titanium-oxidebasedNon-linearResistor,氧化非線性電阻,不過也可能是ToshibaNon-linearResistor,東芝公司的非線性電阻等。

成份種類

氧化鋅,ZincOxide,ZnO
碳化,SiliconCarbide,SiC
氧化鈦,TitaniumOxide,TiO2
氧化鋅壓敏電阻器套用原理
壓敏電阻器與被保護的電器設備或元器件並聯使用。當電路中出現雷電過電壓或瞬態操作過電壓Vs時,壓敏電阻器和被保護的設備及元器件同時承受Vs,由於壓敏電阻器回響速度很快,它以納秒級時間迅速呈現優良非線性導電特性,此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降,遠遠小於Vs,這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低於過電壓Vs,從而使設備及元器件免遭過電壓的衝擊。

套用

1.壓敏電壓:指在規定的溫度和直流(一般為1mA或0.1mA)下,壓敏電阻器兩端的電壓值。記為V1mA或V0.1mAo
2.最大連續電壓:指在規定環境溫度下,能長期持續加在壓敏電阻器兩端的最大正弦交流電壓有效值或最大直流電壓值
3.限制電壓:指在壓敏電阻器中通過規定大小的衝擊電流(8,20μs)時,其兩端的最大電壓峰值。
4.額定功率:指在規定的環境溫度下,可施加給壓敏電阻器的最大平均衝擊功率
5.最大能量:在壓敏電壓變化不超過±10%,衝擊電流波形為10,1000μs或2ms的條件下,可施加給壓敏電阻的最大一次衝擊能量
6.通流容量(最大衝擊電流)

型號

常用的壓敏電阻型號:5D、7D、10D、14D、20D、32D等型號,壓敏電阻還有防暴的功能。

壓敏電阻電路的“安全閥”作用

壓敏電阻有什麼用?壓敏電阻的最大特點是當加在它上面的電壓低於它的閥值"UN"時,流過它的電流極小,相當於一隻關死的閥門,當電壓超過UN時,流過它的電流激增,相當於閥門打開。利用這一功能,可以抑制電路中經常出現的異常過電壓,保護電路免受過電壓的損害。

套用類型

不同的使用場合,套用壓敏電阻的目的,作用在壓敏電阻上的電壓/電流應力並不相同,因而對壓敏電阻的要求也不相同,注意區分這種差異,對於正確使用是十分重要的。
根據使用目的的不同,可將壓敏電阻區分為兩大類:①保護用壓敏電阻,②電路功能用壓敏電阻。
VICFUSE壓敏電阻VICFUSE壓敏電阻
1保護用壓敏電阻
(1) 區分電源保護用,還是信號線,數據線保護用壓敏電阻器,它們要滿足不同的技術標準的要求。
(2) 根據施加在壓敏電阻上的連續工作電壓的不同,可將跨電源線用壓敏電阻器可區分為交流用或直流用兩種類型,壓敏電阻在這兩種電壓應力下的老化特性表現不同。
(3) 根據壓敏電阻承受的異常過電壓特性的不同,可將壓敏電阻區分為浪涌抑制型,高功率型和高能型這三種類型。
★浪涌抑制型:是指用於抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態過電壓的壓敏電阻器,這種瞬態過電壓的出現是隨機的,非周期的,電流電壓的峰值可能很大。絕大多數壓敏電阻器都屬於這一類。
★高功率型:是指用於吸收周期出現的連續脈衝群的壓敏電阻器,例如並接在開關電源變換器上的壓敏電阻,這裡衝擊電壓周期出現,且周期可知,能量值一般可以計算出來,電壓的峰值並不大,但因出現頻率高,其平均功率相當大。
★高能型:指用於吸收發電機勵磁線圈,起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器,對這類套用,主要技術指標是能量吸收能力。
壓敏電阻器的保護功能,絕大多數套用場合下,是可以多次反覆作用的,但有時也將它做成電流保險絲那樣的"一次性"保護器件。例如並接在某些電流互感器負載上的帶短路接點壓敏電阻。
2電路功能用壓敏電阻
壓敏電阻主要套用於瞬態過電壓保護,但是它的類似於半導體穩壓管的伏安特性,還使它具有多種電路元件功能,例如可用作:(1)直流高壓小電流穩壓元件,其穩定電壓可高達數千伏以上,這是矽穩壓管無法達到的。
vicfuse壓敏電阻vicfuse壓敏電阻
(2)電壓波動檢測元件。
(3)直流電瓶移位元件
(4)均壓元件。
(5)螢光啟動元件
3、保護用壓敏電阻的基本性能
(1)保護特性,當衝擊源的衝擊強(或衝擊電流Isp=Usp/Zs)不超過規定值時,壓敏電阻的限制電壓不允許超過被保護對象所能承受的衝擊耐電壓(Urp)。
(2)耐衝擊特性,即壓敏電阻本身應能承受規定的衝擊電流,衝擊能量,以及多次衝擊相繼出現時的平均功率。
(3)壽命特性有兩項,一是連續工作電壓壽命,即壓敏電阻在規定環境溫度和系統電壓條件應能可靠地工作規定的時間(小時數)。二是衝擊壽命,即能可靠地承受規定的衝擊的次數。
(4)壓敏電阻介入系統後,除了起到"安全閥"的保護作用外,還會帶入一些附加影響,這就是所謂"二次效應",它不應降低系統的正常工作性能。這時要考慮的因素主要有三項,一是壓敏電阻本身的電容量(幾十到幾萬PF),二是在系統電壓下的漏電流,三是壓敏電阻的非線性電流通過源阻抗的耦合對其他電路的影響。

壓敏電阻器的種類:

按結構分類

●結型壓敏電阻器——因電阻體與金屬電極之間的特殊接觸,才具有了非線性特性。
●體型壓敏電阻器——因電阻體本身的半導體性質,才具有了非線性特性。
●單顆粒層壓敏電阻器
●薄膜壓敏電阻

按使用材料分類

●氧化鋅壓敏電阻器
●碳化矽壓敏電阻器
金屬氧化物壓敏電阻器
●鍺(矽)壓敏電阻器
●鈦酸鋇壓敏電阻器

按伏安特性分類

●對稱型壓敏電阻器(無極性
●非對稱型壓敏電阻器(有極性)

動作原理

突波吸收器之保護原理:壓敏電阻在預備狀態時,相對於受保護之電子組件而言,具有很高的阻抗(數兆歐姆)而且不會影響原設計電路之特性。但當瞬間突波電壓出現(超過突波吸收器之崩潰電壓時),該突波吸收器之阻抗會變低(僅有幾個歐姆)並造成線路短路,也因此電子產品或較昂貴之組件受到保護。

壓敏電阻器的套用原理

壓敏電阻器是一種具有瞬態電壓抑制功能的元件,可以用來代替瞬態抑制二極體、齊納二極體和電容器的組合。壓敏電阻器可以對IC及其它設備的電路進行保護,防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態電流(如雷擊等)而造成對它們的損壞。使用時只需將壓敏電阻器並接於被保護的IC或設備電路上,當電壓瞬間高於某一數值時,壓敏電阻器阻值迅速下降,導通大電流,從而保護IC或電器設備;當電壓低於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備的正常工作。

壓敏電阻的選用

選用壓敏電阻器前,應先了解以下相關技術參數:標稱電壓是指在規定的溫度和直流電流下,壓敏電阻器兩端的電壓值。漏電流是指在25℃條件下,當施加最大連續直流電壓時,壓敏電阻器中流過的電流值。等級電壓是指壓敏電阻中通過8/20等級電流脈衝時在其兩端呈現的電壓峰值。通流量是表示施加規定的脈衝電流(8/20μs)波形時的峰值電流。浪涌環境參數包括最大浪涌電流Ipm(或最大浪涌電壓VPM和浪涌源阻抗Zo)、浪涌脈衝寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預定工作壽命期內,浪涌脈衝的總次數N等。

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