壓敏電阻器

壓敏電阻器

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。

種類

壓敏電阻器的電路圖符號壓敏電阻器的電路圖符號

壓敏電阻器可以按結構、製造過程、使用材料和伏安特性分類。
1.按結構分類:壓敏電阻器按其結構可分為結型壓敏電阻器、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。

結型壓敏電阻器是因為電阻體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體性質決定的。

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稱型壓敏電阻器(無極性)和非對稱型壓敏電阻器(有極性)。

特性

壓敏電阻器的結構外形壓敏電阻器的結構外形

1.壓敏電阻器的結構特性:壓敏電阻器與普通電阻器不同,它是根據半導體材料的非線性特性製成的。

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係。當壓敏電阻器兩端所加電壓低於標稱額定電壓值時,壓敏電阻器的電阻值接近無窮大,內部幾乎無電流流過。當壓敏電阻器兩端電壓略高於標稱額定電壓時,壓敏電阻器將迅速擊穿導通,並由高阻狀態變為低阻狀態,工作電流也急劇增大。當其兩端電壓低於標稱額定電壓時,壓敏電阻器又能恢復為高阻狀態。當壓敏電阻器兩端電壓超過其最大限制電壓時,壓敏電阻器將完全擊穿損壞,無法再自行恢復。

敏電阻器廣泛地套用在家用電器及其它電子產品中,起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈衝、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。

主要參數

壓敏電阻器的典型套用電路壓敏電阻器的典型套用電路

壓敏電阻器的主要參數有標稱電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度係數、電流溫度係數、電壓非線性係數、絕緣電阻、靜態電容等。

1.壓敏電壓:YG05K規定通過的電流為0.1mA,MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標稱電壓是指通過1mA直流電流時,壓敏電阻器兩端的電壓值。
2.最大允許電壓(最大限制電壓):壓分交流直流兩種情況,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該選用具有該最大允許電壓的壓敏電阻,實際上V1mA與ACrms間彼此是相互關聯的,知道了前者也就知道了後者,不過ACrms對使用者更直接,使用者可根據電路工作電壓,可以直接按ACrms來選取合適的壓敏電阻。在交流迴路中,應當有:min(U1mA) ≥(2.2~2.5)Uac,式中Uac為迴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套用時,有適當的安全裕度。對直流而言在直流迴路中,應當有:min(U1mA) ≥(1.6~2)Udc,式中Udc為迴路中的直流額定工作電壓。在信號迴路中時,應當有:min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax,式中Umax為信號迴路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據防雷電路的設計指標來定。一般而言,壓敏電阻的通流容量要大於等於防雷電路設計的通流容量。
3.通流容量:流容量也稱通流量,是指在規定的條件(以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。一般過壓是一個或一系列的脈衝波。實驗壓敏電阻所用的衝擊波有兩種,一種是為8/20μs波,即通常所說的波頭為8μs波尾時間為20μs的脈衝波,另外一種為2ms的方波。

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,它表示在規定的衝擊電流Ip通過壓敏電阻時次兩端所產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於被保護物的耐壓水平Vo,否則便達不到可靠的保護目的,通常衝擊電流Ip值較大,例如2.5A或者10A,因而壓敏電阻對應的最大限制電壓Vc相當大,例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A時)。

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算W=kIVT(J)
其中I——流過壓敏電阻的峰值
V——在電流I流過壓敏電阻時壓敏電阻兩端的電壓
T——電流持續時間
k——電流I的波形係數
對:
2ms的方波 k=1
8/20μs波 k=1.4
10/1000μs k=1.4
壓敏電阻對2ms方波,吸收能量可達330J每平方厘米;對8/20μs波,電流密度可達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
一般來說壓敏電阻的片徑越大,它的能量耐量越大,耐衝擊電流也越大,選用壓敏電阻時還應當考慮經常遇到能量較小、但出現頻率次數較高的過電壓,如幾十秒、一兩分鐘出現一次或多次的過電壓,這時就應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。

7.額定功率:規定的環境溫度下所能消耗的最大功率。

8.最大峰值電流一次: 8/20μs標準波形的電流作一次衝擊的最大電流值,此時壓敏電壓變化率仍在±10%以內。2次:以8/20μs標準波形的電流作兩次衝擊的最大電流值,兩次衝擊時間間隔為5分鐘,此時壓敏電壓變化率仍在±10%以內。

9.殘壓比: 流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為殘壓。殘壓比則的殘壓與標稱電壓之比。

10.漏電流:漏電流又稱等待電流,是指壓敏電阻器在規定的溫度和最大直流電壓下,流過壓敏電阻器的電流。

11.電壓溫度係數:電壓溫度係數是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℃時壓敏電阻兩端的相對變化。

12.電流溫度係數:電流溫度係數是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。

13.電壓非線性係數:電壓非線性係數是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。

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.靜態電容:靜態電容是指壓敏電阻器本身固有的電容容量。

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。

壓敏電阻器的套用廣泛,壓敏電阻主要可用於直流電源交流電源低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。從手持式電子產品到工業設備,其規格與尺寸多種多樣。隨著手持式電子產品的廣泛使用,尤其是手機手提電腦PDA、數字相機、醫療儀器等,其電路系統的速度要求更高,並且要求工作電壓更低,這就對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始大量湧現,而其銷售年增長率要高於有引線的壓敏電阻器一倍多。預計2002年壓敏電阻器的市場增長率為13%,其中,多層片式壓敏電阻器市場增長率為20%~30%,徑向引線產品增長率為5%~10%。需求主要來自於電源設備,包括DC電源設備、不間斷電源,以及新的消費類電子產品,如數字音頻/視頻設備、視頻遊戲數字相機等。

片式壓敏電阻器已占美國市場銷售總額的40%~45%。(0402)尺寸的片式壓敏電阻器最受歡迎。0201尺寸的產品尚未上市。AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓範圍的產品,它們的額定功率為50mJ,典型電容值範圍從90pF(18V的產品)~360pF(5.6V的產品)。MaidaDevelopment公司也生產片式系列的壓敏電阻器,但目前只推出了非標準尺寸的產品,1210、1206、0805、0603和0402的產品正在試產。Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產品。AVX和Littelfuse公司已推出電壓抑制器陣列,如AVX推出的Multiguard系列四聯多層陶瓷瞬態電壓抑制器陣列(即壓敏電阻器陣列)已經被市場接納。可節省50%的板上空間,75%的生產裝配成本。Multiguad系列採用1206型規格。其中有一種雙聯元件採用0805規格,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多層陶瓷瞬態電壓抑制器。該產品綜合了公司Transguard系列壓敏電阻器和Feedthru系列電容器/濾波器的功能。採用0805規格。該組件具有性能優勢,更快的導通時間(或稱回響時間,在200ps~250ps之間)和更小的並行係數。Littelfuse製造的MLN浪涌陣列組件1206規格,內裝4隻多層壓敏電阻器。該產品的ESD達到IEC671000-4-2第四級水平。其主要特性包括:感抗(1nH),相鄰通道串擾典型值50dB(頻率1MHz時),在額定電壓工作狀態下,漏電流為5A,工作電壓高達18V,電容值可由用戶指定。這種MLN貼片組件可用於板級ESD保護,套用領域包括手持式產品、電腦產品、工業及醫療儀器等。EPCOS公司推出了T4N-A230XFV集成浪涌抑制器,內含兩隻壓敏電阻器和一種短路裝置。該產品用於電信中心局和用戶線一側的通信設備保護。

選用

壓敏電阻器的內部結構壓敏電阻器的內部結構

壓敏電阻器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。

壓敏電阻的壓敏電壓(min(U1mA))、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流迴路中,應當有:min(U1mA) ≥(1.6~2)Udc,式中Udc為迴路中的直流額定工作電壓。在交流迴路中,應當有:min(U1mA) ≥(2.2~2.5)Uac,式中Uac為迴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套用時,有適當的安全裕度。在信號迴路中時,應當有:min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax,式中Umax為信號迴路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據防雷電路的設計指標來定。一般而言,壓敏電阻的通流容量要大於等於防雷電路設計的通流容量。
選用壓敏電阻器前,應先了解以下相關技術參數:
標稱電壓(即壓敏電壓)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: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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