压敏电阻器简称压敏电阻,是一种电压敏感元件,其特点是在该元件上的外加电压增加到某一临界值(标称电压值)时,其阻值将急剧减小。它是利用半导体材料具有非线性伏安特性原理制成的,因此属于非线性电阻器。
压敏电阻器的品种很多,按材料不同可分为:碳化硅压敏电阻,硅锗压敏电阻、金属氧化物压敏电阻、钛酸钡压敏电阻、硒化镉和硒压敏电阻等。目前使用较多的是氧化锌(Zn0)压敏电阻。氧化锌压敏电阻的特点:通流容量大、时间响应快、电压范围宽、非线性系数大、伏安曲线对称、可靠性高等。图1(a)是标称电压为56V的氧化锌压敏电阻的外形,图1(b)是它的电路符号,图中的字母U也可用V代替。图2是MYJ型压敏电阻的伏安特性曲线。
压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。
1.压敏电压: 所谓压敏电压,即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值,大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值,其产品的压敏电压范围可以从10-9000V不等。可根据具体需要正确选用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC,式中,Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的,它关系到保护效果与使用寿命。如一台用电器的额定电源电压为220V,则压敏电阻电压值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476V,V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V,因此压敏电阻的击穿电压可选在470-480V之间。MYG05K规定通过的电流为0.1mA,MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K标称电压是指通过1mA直流电流时,压敏电阻器两端的电压值。
2.允许电压(限制电压):此电压分交流和直流两种情况,如为交流,则指的是该压敏电阻所允许加的交流电压的有效值,以ACrms表示,所以在该交流电压有效值作用下应该选用具有该允许电压的压敏电阻,实际上V1mA与ACrms间彼此是相互关联的,知道了前者也就知道了后者,不过ACrms对使用者更直接,使用者可根据电路工作电压,可以直接按ACrms来选取合适的压敏电阻。在交流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(2.2~2.5)Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度。对直流而言在直流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(1.6~2)Udc,式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(2.2~2.5)Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度。在信号回路中时,应当有:min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言,压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。
3.通流容量: 所谓通流容量,即脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下,对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言,压敏电压的变化不超过± 10%时的脉冲电流值。为了延长器件的使用寿命,ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品通流量。然而从保护效果出发,要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下,实际发生的通流量是很难精确计算的。简单的讲-通流容量也称通流量,是指在规定的条件(以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脉冲(峰值)电流值。一般过压是一个或一系列的脉冲波。实验压敏电阻所用的冲击波有两种,一种是为8/20μs波,即通常所说的波头为8μs波尾时间为20μs的脉冲波,另外一种为2ms的方波,如下图所示:
4.限制电压: 限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的电压值,它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻时次两端所产生的电压此电压又称为残压,所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平Vo,否则便达不到可靠的保护目的,通常冲击电流Ip值较大,例如2.5A或者10A,因而压敏电阻对应的限制电压Vc相当大,例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A时)。
5.能量(能量耐量): 压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算W=kIVT(J)
其中I——流过压敏电阻的峰值
V——在电流I流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压
T——电流持续时间
k——电流I的波形系数
对:
2ms的方波 k=1
8/20μs波 k=1.4
10/1000μs k=1.4
压敏电阻对2ms方波,吸收能量可达330J每平方厘米;对8/20μs波,电流密度可达2000A每立方厘米,这表明他的通流能力及能量耐量都是很大的
一般来说压敏电阻的片径越大,它的能量耐量越大,耐冲击电流也越大,选用压敏电阻时还应当考虑经常遇到能量较小、但出现频率次数较高的过电压,如几十秒、一两分钟出现一次或多次的过电压,这时就应该考虑压敏电阻所能吸收的平均功率。
6.电压比: 电压比是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。
7.额定功率: 在规定的环境温度下所能消耗的功率。
8.峰值电流 一次:以8/20μs标准波形的电流作一次冲击的电流值,此时压敏电压变化率仍在±10[%]以内。2次:以8/20μs标准波形的电流作两次冲击的电流值,两次冲击时间间隔为5分钟,此时压敏电压变化率仍在±10[%]以内。
9.残压比: 流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为残压。残压比则的残压与标称电压之比。
10.漏电流: 漏电流又称等待电流,是指压敏电阻器在规定的温度和直流电压下,流过压敏电阻器的电流。
11.电压温度系数: 电压温度系数是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℃时压敏电阻两端的相对变化。
12.电流温度系数: 电流温度系数是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。
13.电压非线性系数: 电压非线性系数是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。
14.绝缘电阻: 绝缘电阻是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。
15.静态电容: 静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量。
(1) 压敏电阻器的作用
压敏电阻器是一种金属化物变阻器,其电压与电流不遵守欧姆定律,而成特殊的非线性关系。当两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器的电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过;略高于标称额定电压值时,压敏电阻器将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大;低于标称额定电压值时,压敏电阻器又恢复为高阻状态;超过限制电压值时,压敏电阻器将完全击穿损坏,无法再自行恢复。
压敏电阻器广泛应用于家用电器以及其他电子产品中,起到过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。
(2) 压敏电阻器的选取计算
一般来说,压敏电阻器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连续工作电压,该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VmA应大于实际电路的电压值,一般使用下式进行选择:
式中:a为电路电压波动系数,一般取1.2;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,一般取0.85;c为元件的老化系数,一般取0.9;
这样计算得到的VmA的实际数值是直流工作电压的1.5倍,在交流状态下还要考虑峰值,因此计算结果应扩大1.414倍。另外,选用时还必须注意:
① 必须保证在电压波动时,连续工作电压也不会超过允许值,否则将缩短压敏电阻器的使用寿命。
② 在电源线与大地间使用压敏电阻器时,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标称电压更高的压敏电阻器。
③ 压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的通流量。
SJ1152-82部颁标准中压敏电阻器的型号命名分为四部分,各部分的含义见表。
表 压敏电阻器的型号命名及含义
部分用字母 “M” 表示主称为敏感电阻器。
第二部分用字母 “Y” 表示敏感电阻器为压敏电阻器。
第三部分用字母表示压敏电阻器的用途的特征。
第四部分用数字表示序号,有的在序号的后面还标有标称电压、通流容量或电阻体直径、电压误差、标称电压等。
例如:
MYL1-1(防雷用压敏电阻器) MY31-270/3(270V/3kA普通压敏电阻器)
M――敏感电阻器 M――敏感电阻器
Y――压敏电阻器 Y――压敏电阻器
L――防雷用 31――序号
1-1――序号 270――标称电压为270V
3――通流容量为3kA
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,比空气放电管快,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。
压敏电阻的压敏电压(min(U1mA))、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(1.8~2)Udc,式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(2.2~2.5)Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度。在信号回路中时,应当有:min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言,压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。
压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。
压敏电阻的失效模式主要是短路,当通过的过电流太大时,也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短,多次冲击后性能会下降。因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。
在消费类电子产品中,为了追求较小的安装面积,压敏电阻做成叠层型,称为Multi-layer Varistor(MLV),其结构与叠层型的瓷片电容(MLCC)完全相同,只是叉指电极间的材料不是普通的陶瓷电介质,而是ZnO压敏材料。也因为如此,MLV都是具有一定的电容特性的,甚至可以根据需要定制具有某种容量的MLV,这对于防护设计中兼顾EMI设计是非常有利的。
由于做成叠层结构后,MLV的电极寄生电感非常小,因此其反应速度与TVS不相伯仲,甚至比某些采用Bonding结构的TVS的速度还要快。
在电流容量上,得益于叠层结构,MLV的通流能力也要比相同体积的TVS大得多。
MLV的钳位特性曲线不如TVS陡峭,不能实现精确的钳位;MLV在多次大电流冲击后,性能会出现一定程度的退化,主要表现是漏电流增大,钳位电压有所变化。不过,如果MLV仅用于ESD防护,上述两个缺点对防护效果的影响是很小的。这也是为什么MLV能在手机、数码相机等领域大行。
氧化锌压敏电阻与被保护的电器设备或者元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或瞬态操作电压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形导电特性,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。
压敏电阻主要是用来保护那些易受静电和高压等破坏环境的一种电阻,在一些集成化较高,应用功能复杂的环境中应用较多,其中片式压敏电阻体积小,适应于高度集成化的电子环境。据了解,手持式电子产品的广泛应用,使得手机、手提电脑、PDA、数码相机和医疗仪器等产品对电路系统的速度和工作电压提出更为严格的要求。片式压敏电阻虽因其响应速度快、无极性、成本低以及和SMT工艺兼容等优点而被推到了市场前沿。
在手机中的应用中,由于增加了多种新功能,如彩屏、可拍照、MMS,手机中的IC集成度也越来越高,与此同时,半导体器件和IC的工作电压越来越低,当芯片变得越来越薄时,遭受过电压和静电放电(ESD)危害的几率大大增加了。由于过电压和静电放电对集成电路和半导体器件会造成损坏,因而需要大量的过电压保护元件来对昂贵的半导体器件提供保护。
片式压敏电阻行情看好,但同时却面临了一个尴尬,片式压敏电阻由于价格坚挺,一般而言,同种类型的片式压敏电阻要比DIP型的价格高出3-5倍。以致扩大市场份额的过程中和贴片LED同显步履蹒跚。元件市场片式压敏电阻的实际情形是,供应市场不大,需求市场也不大。压敏电阻市场DIP直插产品是主流,SMT产品则是发展趋势。
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