壓敏電阻選用的基本知識

壓敏電阻選用的基本知識

什么是壓敏電阻器及其分類與參數(shù)?

（一）壓敏電阻器的種類
壓敏電阻器可以按結(jié)構(gòu)、制造過程、使用材料和伏安特性分類。
1．按結(jié)構(gòu)分類? 壓敏電阻器按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)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(jié)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(dǎo)體性質(zhì)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、碳化硅壓敏電阻器、金屬氧化物壓敏電阻器、鍺（硅）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）。

（二）壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性與作用
1．壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性? 壓敏電阻器與普通電阻器不同，它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的非線性特性制成的。
圖1-22是壓敏電阻器外形，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-23所示。

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(guān)系。當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。當(dāng)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(fù)。

2．壓敏電阻器的作用與應(yīng)用? 壓敏電阻器廣泛地應(yīng)用在家用電器及其它電子產(chǎn)品中，起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導(dǎo)體元器件等作用。
圖1-24是壓敏電阻器的典型應(yīng)用電路。

（三）壓敏電阻器的主要參數(shù)
壓敏電阻器的主要參數(shù)有標(biāo)稱電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)、電壓非線性系數(shù)、絕緣電阻、靜態(tài)電容等。
1．壓敏電壓： 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V1mA=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=1.5×1.414×220V=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。MYG05K規(guī)定通過的電流為0.1mA，MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標(biāo)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）：此電壓分交流和直流兩種情況，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(yīng)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(guān)聯(lián)的，知道了前者也就知道了后者，不過ACrms對使用者更直接，使用者可根據(jù)電路工作電壓，可以直接按ACrms來選取合適的壓敏電阻。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回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應(yīng)用時，有適當(dāng)?shù)陌踩６?。對直流而言在直流回路中，?yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(1.6～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回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應(yīng)用時，有適當(dāng)?shù)陌踩６?。?a target="_blank">信號回路中時，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計指標(biāo)來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計的通流容量。

3．通流容量： 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。簡單的講-通流容量也稱通流量，是指在規(guī)定的條件（以規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。一般過壓是一個或一系列的脈沖波。實驗壓敏電阻所用的沖擊波有兩種，一種是為8/20μs波，即通常所說的波頭為8μs波尾時間為20μs的脈沖波，另外一種為2ms的方波，如下圖所示：

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(guī)定的沖擊電流Ip通過壓敏電阻時次兩端所產(chǎn)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于被保護物的耐壓水平Vo,否則便達(dá)不到可靠的保護目的，通常沖擊電流Ip值較大，例如2.5A或者10A，因而壓敏電阻對應(yīng)的最大限制電壓Vc相當(dāng)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(xù)時間
??? k——電流I的波形系數(shù)
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(dá)330J每平方厘米；對8/20μs波，電流密度可達(dá)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，耐沖擊電流也越大，選用壓敏電阻時還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)常遇到能量較小、但出現(xiàn)頻率次數(shù)較高的過電壓，如幾十秒、一兩分鐘出現(xiàn)一次或多次的過電壓，這時就應(yīng)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(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時產(chǎn)生的電壓值之比。

7．額定功率： 在規(guī)定的環(huán)境溫度下所能消耗的最大功率。

8．最大峰值電流 一次：以8/20μs標(biāo)準(zhǔn)波形的電流作一次沖擊的最大電流值，此時壓敏電壓變化率仍在±10%以內(nèi)。2次：以8/20μs標(biāo)準(zhǔn)波形的電流作兩次沖擊的最大電流值，兩次沖擊時間間隔為5分鐘，此時壓敏電壓變化率仍在±10%以內(nèi)。

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(chǎn)生的電壓稱為這一電流值為殘壓。殘壓比則的殘壓與標(biāo)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(guī)定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器的電流。

11．電壓溫度系數(shù)：? 電壓溫度系數(shù)是指在規(guī)定的溫度范圍（溫度為20~70℃）內(nèi)，壓敏電阻器標(biāo)稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電流保持恒定時，溫度改變1℃時壓敏電阻兩端的相對變化。

12．電流溫度系數(shù)：? 電流溫度系數(shù)是指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時，溫度改變1℃時，流過壓敏電阻器電流的相對變化。

13．電壓非線性系數(shù)：? 電壓非線性系數(shù)是指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下，其靜態(tài)電阻值與動態(tài)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(tài)電容：? 靜態(tài)電容是指壓敏電阻器本身固有的電容容量。



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2 壓敏電阻器的應(yīng)用原理 B5_><|( ?
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)備的電路進行保護，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。 een'WWl ?
壓敏電阻器的應(yīng)用廣泛,壓敏電阻主要可用于直流電源、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(chǎn)品到工業(yè)設(shè)備，其規(guī)格與尺寸多種多樣。隨著手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，尤其是手機、手提電腦、PDA、數(shù)字相機、醫(yī)療儀器等，其電路系統(tǒng)的速度要求更高，并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涌現(xiàn)，而其銷售年增長率要高于有引線的壓敏電阻器一倍多。 +bKzzB' ?
預(yù)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(chǎn)品增長率為5％～10％。需求主要來自于電源設(shè)備，包括DC電源設(shè)備、不間斷電源，以及新的消費類電子產(chǎn)品，如數(shù)字音頻/視頻設(shè)備、視頻游戲，數(shù)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(chǎn)品尚未上市。AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓范圍的產(chǎn)品，它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產(chǎn)品)～360pF(5.6V的產(chǎn)品)。MaidaDevelopment公司也生產(chǎn)片式系列的壓敏電阻器，但目前只推出了非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的產(chǎn)品，1210、1206、0805、0603和0402的產(chǎn)品正在試產(chǎn)。 eBfyQu ?
Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產(chǎn)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(lián)多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器陣列（即壓敏電阻器陣列）已經(jīng)被市場接納。可節(jié)省50％的板上空間，75％的生產(chǎn)裝配成本。Multiguad系列采用1206型規(guī)格。其中有一種雙聯(lián)元件采用0805規(guī)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(tài)電壓抑制器。該產(chǎn)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。采用0805規(guī)格。該組件具有性能優(yōu)勢，更快的導(dǎo)通時間（或稱響應(yīng)時間，在200ps～250ps之間）和更小的并行系數(shù)。 6z^X']0 ?
Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規(guī)格，內(nèi)裝4只多層壓敏電阻器。該產(chǎn)品的ESD達(dá)到IEC671000－4－2第四級水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_典型值50dB（頻率1MHz時），在額定電壓工作狀態(tài)下，漏電流為5A,工作電壓高達(dá)18V，電容值可由用戶指定。這種MLN貼片組件可用于板級ESD保護，應(yīng)用領(lǐng)域包括手持式產(chǎn)品、電腦產(chǎn)品、工業(yè)及醫(yī)療儀器等。 lZ prD= ?
EPCOS公司推出了T4N－A230XFV集成浪涌抑制器，內(nèi)含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶線一側(cè)的通信設(shè)備保護。 PS;6g$NM ?
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3.壓敏電阻的選用 ?

1、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用原理

??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(dāng)過電壓出現(xiàn)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(xiàn)對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。
??? 壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號線路的保護中，應(yīng)用在交流電路的保護中時，因為其結(jié)電容較大會增加漏電流，在設(shè)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。
?? 壓敏電阻器與被保護的電器設(shè)備或元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時，壓敏電阻器和被保護的設(shè)備及元器件同時承受Vs，由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級時間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導(dǎo)電特性(見圖3中擊穿區(qū))，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs，這樣被保護的設(shè)備及元器件上實際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過電壓Vs，從而使設(shè)備及元器件免遭過電壓的沖擊。

2、氧化鋅壓敏電阻器壓敏電壓的選擇

?? 根據(jù)被保護電源電壓選擇壓敏電阻器的規(guī)定電流下的電壓V1mA。一般選擇原則為：
對于直流回路：V1mA≥2.0VDC
對于交流回路：V1mA≥2.2V有效值

?? 特別指出對于壓敏電阻壓敏電壓的選擇標(biāo)準(zhǔn)是要高于供電電壓，在能夠滿足可以保護需要保護器件的的同時，盡可能選擇壓敏電壓高的壓敏電阻，這樣不僅可以保護器件，也能提高壓敏電阻的使用壽命。比如要保護的器件耐壓為Vdc=550Vdc,器件的工作電壓V=300Vdc,那么我們選擇壓敏電阻就應(yīng)該是壓敏電壓為470V的壓敏電阻，壓敏電壓范圍是(423-517)，壓敏電壓最大負(fù)誤差470-47=423Vdc大于器件的供電電壓300Vac，最大正誤差為470+47=517Vdc小于器件的耐壓550Vdc。

選用時還必須注意：
（1）必須保證在電壓波動最大時，連續(xù)工作電壓也不會超過最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；
（2）在電源線與大地間使用壓敏電阻時，有時由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場合更高標(biāo)稱電壓的壓敏電阻器。

3、通流量的選取

????通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給定的波形、沖擊次數(shù)和間隙時間進行脈沖試驗時產(chǎn)品所能承受的最大電流值。而產(chǎn)品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時間的函數(shù)，當(dāng)電流波形幅值降低50％時沖擊次數(shù)可增加一倍，所以在實際應(yīng)用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。

4、應(yīng)用

????圖1所示是采用壓敏電壓器進行電路浪涌和瞬變防護時的電路連接圖。對于壓敏電阻的應(yīng)用連接，大致可分為四種類型：
???? 第一種類型是電源線之間或電源線和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場合是在電源線及長距離傳輸?shù)男盘柧€遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖等情況下對電子產(chǎn)品起保護作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對線間的感應(yīng)脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若進一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。
???? 第二種類型為負(fù)荷中的連接，見圖1（b）。它主要用于對感性負(fù)載突然開閉引起的感應(yīng)脈沖進行吸收，以防止元件受到破壞。一般來說，只要并聯(lián)在感性負(fù)載上就可以了，但根據(jù)電流種類和能量大小的不同，可以考慮與R－C串聯(lián)吸收電路合用。
???? 第三種類型是接點間的連接，見圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應(yīng)電荷開關(guān)接點被電弧燒壞的情況發(fā)生，一般與接點并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。
　　第四種類型主要用于半導(dǎo)體器件的保護連接，見圖1（d）。這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導(dǎo)體器件，一般采用與保護器件并聯(lián)的方式，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導(dǎo)體器件是一種有效的保護。

5、選型原則

?? 如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓V1mA較低、片徑較大的壓敏電阻器；如果Vo較高，則可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護電器設(shè)備，又能延長壓敏電阻使用壽命。
? 壓敏電阻器主要應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的過電壓保護電路中，它有多種型號和規(guī)格。所選壓敏電阻器的主要參數(shù)（包括標(biāo)稱電壓、最大連續(xù)工作電壓、最大限制電壓、通流容量等）必須符合應(yīng)用電路的要求，尤其是標(biāo)稱電壓要準(zhǔn)確。標(biāo)稱電壓過高，壓敏電阻器起不到過電壓保護作用，標(biāo)稱電壓過低，壓敏電阻器容易誤動作或被擊穿。

6、氧化鋅壓敏電阻器的使用方法
?? 壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護元件，無論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達(dá)到保護設(shè)備的目的(如圖4所示)
???

???? 當(dāng)過電壓幅值高于規(guī)定電流下的電壓，過電流幅值小于壓敏電阻器的最大峰值電流時(若無壓敏電阻器足以使設(shè)備元器件破壞)，壓敏電阻器處于擊穿區(qū)，可將過電壓瞬時限制在很低的幅值上，此時通過壓敏電阻器的浪涌電流幅值不大(<100A/cm2),不足以對壓敏電阻器產(chǎn)生劣化；當(dāng)過電壓幅值很高時，壓敏電阻器將過電壓限制在較低的水平上(小于設(shè)備的耐壓水平)，同時通過壓敏電阻器的沖擊電流很大，使壓敏電阻器性能劣化即將失效，這時通過熔斷器的電流很大，熔斷器斷開，這樣既可使電器設(shè)備、元器件免受過電壓沖擊，也可避免由于壓敏電阻器的劣化擊穿造成線路L-N、L-PE之間短路(推薦的熔斷器規(guī)格見表1)。

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??? 壓敏電阻器在電路的過電壓防護中，如果正常工作在圖3的預(yù)擊穿區(qū)和擊穿區(qū)，理論上是不會損壞的。但由于壓敏電阻器要長期承受電源電壓，電路中暫態(tài)過電壓、超能量過電壓隨機的不斷沖擊及吸收電路儲能元件釋放能量，因此，壓敏電阻器也是會損壞的，它的壽命根據(jù)所在電路經(jīng)受的過電壓幅值和能量的不同而不同。

在電子鎮(zhèn)流器和節(jié)能燈過壓保護的壓敏電阻,一般小于20W選用MYG07K系列，30W-40W一般選用MYG10系列的壓敏電阻做過壓保護