深入学习,一种特殊的电阻“压敏电阻”

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       压敏电阻器的电阻体材料是半导体,所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素(Zn)和六价元素氧(O)所构成。所以从材料的角度来看,氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。
  

       对于我们设备中使用的压敏电阻,原选用型号为 14D101K,实际运行 3 个月中,此型号压敏电阻经常烧毁。后改为 14D121K,实际运行 3 个月,没有发现烧坏。所以,为指导以后工作,整理并学习此资料,并在整理过程中,发现压敏电阻不应该直接并接在元件的输入端。具体压敏电阻的资料如下:
  

一、压敏电阻的原理
       压敏电阻意思是“在一定电流电压范围内电阻值随电压而变”,或者是说“电阻值对电压敏感”的阻器。相应的英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”。
  

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       随着加在它上面的电压不断增大,它的电阻值可以从 MΩ(兆欧)级变到 mΩ(毫欧)级。当电压较低时,压敏电阻工作于漏电流区,呈现很大的电阻,漏电流很小;当电压升高进入非线性区后,电流在相当大的范围内变化时,电压变化不大,呈现较好的限压特性;电压再升高,压敏电阻进入饱和区,呈现一个很小的线性电阻,由于电流很大,时间一长就会使压敏电阻过热烧毁甚至炸裂。正常使用时压敏电阻处于漏电流区,受到浪涌冲击时进入非线性区泄放浪涌电流,一般不能进入饱和区
  

       压敏电阻器的电阻体材料是半导体,所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素(Zn)和六价元素氧(O)所构成。所以从材料的角度来看,氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。
  

二、压敏电阻的作用
       压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时,流过它的电流极小,相当于一只关死的阀门,当电压超过 UN 时,流过它的电流激增,相当于阀门打开。利用这一功能,可以抑制电路中经常出现的异常过电压,保护电路免受过电压的损害。


       压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件,可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合。压敏电阻器可以对 IC 及其它设备的电路进行保护,防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流(如雷击等)而造成对它们的损坏。使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的 IC 或设备电路上,当电压瞬间高于某一数值时,压敏电阻器阻值迅速下降,导通大电流,从而保护 IC 或电器设备;当电压低于压敏电阻器工作电压值时,压敏电阻器阻值极高,近乎开路,因而不会影响器件或电器设备的正常工作。
  

三、压敏电阻的标称参数
       压敏电阻用字母“MY”表示,如加 J 为家用,后面的字母 W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K 分别用于稳压、过压保护、高频电路、防雷、灭弧、消噪、补偿、消磁、高能或高可靠等方面。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量,但不能承受毫安级以上的持续电流,在用作过压保护时必须考虑到这一点。
  

四、压敏电阻的特性参数
       ①压敏电压 UN(U1mA):通常以在压敏电阻上通过 1mA 直流电流时的电压来表示其是否导通的标志电压,这个电压就称为压敏电压 UN。压敏电压也常用符号 U1mA 表示。压敏电压的误差范围一般是±10%。在试验和实际使用中,通常把压敏电压从正常值下降 10%作为压敏电阻失效的判据。
  

       ②最大持续工作电压 UC:指压敏电阻能长期承受的最大交流电压(有效值)Uac 或最大直流电压 Udc。一般 Uac≈0.64U1mA,Udc≈0.83U1mA。
  

       ③通流量(最大冲击电流)IP:指压敏电阻能够承受的 8/20μs 波的最大冲击电流峰值。“能够承受”的含义是,冲击后压敏电压的变化率不大于 10%。现行的技术规格书中通常都给出了冲击 1 次的 IP 值。
  

       ④最大箝位电压(限制电压)VC:技术规格书中给出的最大箝位电压值是指给压敏电阻施加规定的 8/20μs 波冲击电流 IX(A)时压敏电阻上呈现的电压。
  

       实际使用中,压敏电压越高,施加的冲击电流越大,限制电压(或称残压)就越高,可从产品给出的 V-I 曲线上查到。
  

       ⑤额定能量 E:额定能量是指压敏电阻能够承受规定波形的冲击电流冲击一次的最大能量(冲击后压敏电压的变化率不大于 10%),可用下式表示:

 

E=K*IP*VC*T
  

       式中:IP、VC 见上,T 为脉冲宽度,K 为与波形有关的常数。对于 8/20μs 波和 10/1000μs 波,K=1.4;对于 2ms 方波,K=1。
  

       ⑥额定功率(最大平均功率)Pm:指压敏电阻在室温下,连续承受多次冲击,且各次冲击之间间隔时间较短,因而有热积累效应的情况下,能够承受的最大平均功率。尽管压敏电阻能承受很大的脉冲功率,但能承受的平均功率却很小。
  

       ⑦电容 C0:指压敏电阻两电极间呈现的电容,在几 pF~几百 nF 的范围内。体积越小,压敏电压越高,电容越小。
  

       ⑧漏电流 Il:给压敏电阻施加最大直流电压 Udc 时流过的电流。测量漏电流时,通常给压敏电阻加上 Udc=0.83U1mA 的电压(有时也用 0.75U1mA)。一般要求静态漏电流 Il≤20μA(也有要求≤10μA 的)。在实际使用中,更关心的不是静态漏电流值本身的大小,而是它的稳定性,即在冲击试验后或在高温条件下的变化率。在冲击试验后或在高温条件下其变化率不超过一倍,即认为是稳定的。
  

       ⑨非线性指数α:指电压的变化对电流的影响能力,可用公式表示为:
  

I=KUα或α=loglog
  

       由前式可见,α越大表明电压的变化对电流的影响能力越大,非线性特性越好。由后式可见,α是伏安特性上各点斜率的倒数,特性越平坦的地方,α越大(漏电流区和饱和区α=1,又称低α区)。用仪器测量时,一般设定 I2=1mA,I1=0.1mA,所以可得:
  

αT=1/log(U1mA/U0.1mA)
  

五、压敏电阻的降额特性
       对压敏电阻进行冲击试验时,随着所要进行的冲击次数的增加,每次所施加的冲击电流要相应地减小。例如:Ф20 基片的标准压敏电阻(U1mA≥82V 的),其降额特性如下表所示(可从厂家给出的浪涌寿命次数定额曲线中查到):
  

       允许冲击次数 1 次 2 次 10 次 100 次 1000 次 10000 次
  

       每次冲击电流 6500A4000A2000A1000A430A200A
  

六、压敏电阻的测量
       测量时将万用表置 10k 档,表笔接于电阻两端,万用表上应显示出压敏电阻上标示的阻值,如果超出这个数值很大,则说明压敏电阻已损
  

七、压敏电阻的选型
       压敏电阻的选用,一般选择标称压敏电压 V1mA 和通流容量两个参数。
  

       1、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 1mA=“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××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。
  

       2、所谓通流容量,即最大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%时的最大脉冲电流值。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最大通流量。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,则选用 2-20KA 的产品。如手头产品的通流量不能满足使用要求时,可将几只单个的压敏电阻并联使用,并联后的压敏电不变,其通流量为各单只压敏电阻数值之和。要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同,否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。
  

八、压敏电阻的使用
       压敏电阻一般并联在电路中使用,当电阻两端的电压发生急剧变化时,电阻短路将电流保险丝熔断,起到保护作用。压敏电阻在电路中,常用于电源过压保护和稳压。
  

       电源防雷器的可靠性、安全性在很大程度上依赖于压敏电阻的正确使用,以下原则可供使用参考。特别要指出的是,在电源防雷设计中还要考虑各个地方的电源质量差别、雷击频度和强度的差别、被保护设备的安装使用情况和冲击耐受能力等的差别,不能用一个公式照搬照套。设计好的防雷保护装置必须在现场使用条件下或尽可能接近真实情况的模拟条件下进行试验验证。

 

①压敏电压的计算:
       一般可用下式计算:
  

U1mA=KUac
  

       式中:K 为与电源质量有关的系数,一般取 K=(2~3),电源质量较好的城市可取小些,电源质量较差的农村(特别是山区)可取大些。Uac 为交流电源电压有效值。对于 220V~240V 交流电源防雷器,应选用压敏电压为 470V~620V 的压敏电阻较合适。选用压敏电压高一点的压敏电阻,可以降低故障率,延长使用寿命,但残压略有增大。
  

②标称放电电流的计算:
       压敏电阻的标称放电电流应大于要求承受的浪涌电流或每年可能出现的最大浪涌电流。标称放电电流应按压敏电阻浪涌寿命次数定额曲线中冲击 10 次以上的数值进行计算,约为最大冲击通流量的 30%(即 0.3IP)左右。
  

③压敏电阻的并联:
       当一个压敏电阻满足不了标称放电电流的要求时,应采用多个压敏电阻并联使用。有时为了降低限制电压,即使标称放电电流满足要求也采用多个压敏电阻并联。要特别注意的是,压敏电阻并联使用时,一定要严格挑选参数一致的(例如:ΔU1mA≤3V,Δα≤3)进行配对,以保证电流的均匀分配。
  

九、压敏电阻使用时的注意事项
       压敏电阻的失效模式通常是短路,为了防止压敏电阻的失效造成电源短路而起火,可以在每个压敏电阻上串联一个温度保险管或热脱离机构。温度保险管应与压敏电阻有良好的热耦合,当压敏电阻失效(高阻抗短路)时,它所产生的热量把温度保险管熔断,从而使失效的压敏电阻与电路分离,确保设备的安全。当较高的工频暂时过电压作用在压敏电阻上时,可能使压敏电阻瞬间击穿短路(低阻抗短路),而温度保险管还来不及熔断,还可能起火。为避免这种现象发生,可在每个压敏电阻上再串联一个耐冲击工频保险丝(单用工频保险丝则在老化失效时可能不熔断)。也可以把压敏电阻与陶瓷气体放电管串联使用,正常工作时陶瓷气体放电管不导通,压敏电阻没有漏电流,可以大大延长使用寿命;受浪涌冲击时,陶瓷气体放电管首先击穿,然后由压敏电阻限制浪涌电压,总的残压为两者之和,略有增大(几十伏);冲击过去后,由于压敏电阻限制了电流,放电管不能维持导通而熄弧,恢复为正常工作状态;当压敏电阻短路失效后,因陶瓷气体放电管流过很大的工频电流也会很快失效,但它的失效模式绝大多数是开路,因而不易引起火灾。
  

       所以,我们设备中压敏电阻的选型基本没有错误,根据公式,应该选取压敏电压即标称电压为 130V 的压敏电阻,根据就上不就下的原则,实际应该选取 14D151 型号。而且,在实际使用方法上,我们不应该直接将压敏电阻并接,根据实际情况,应该把压敏电阻与陶瓷气体放电管串联使用。
 

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