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用5000字講清楚壓敏電阻

2024/5/8 14:02:52??????點(diǎn)擊:
      1. 壓敏電阻

      壓敏電阻,英文名Voltage Dependent Resistor,縮寫VDR,或者叫Varistor,Variable(會變的)+ Resistor(電阻)。它的伏安特性曲線具有非線性。也就是壓敏電阻的阻值并不是固定的,存在動態(tài)變化。

      這種電阻的動態(tài)變化正是因?yàn)閴好綦娮鑳啥说碾妷翰煌憩F(xiàn)出不同的阻值。即在一定電流電壓范圍內(nèi),壓敏電阻值隨電壓而變,或者說是電阻值對電壓敏感的器件,所以這就是為什么叫壓敏電阻。

      壓敏電阻的工作原理是:在正常電壓下相當(dāng)于一個小電容(結(jié)電容),當(dāng)電路出現(xiàn)過電壓時,利用壓敏電阻的非線性,它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通,其工作電流增大幾個數(shù)量級,此時壓敏電阻的電壓會立馬被鉗位在某個固定值,因此。壓敏電阻與電路并聯(lián)使用,是一種過壓保護(hù)元件,從而保護(hù)電路不受過壓的影響而損壞。

      組成壓敏電阻的材料類型比較多,常見的有氧化鋅壓敏電阻,碳化硅壓敏電阻,氧化鈦壓敏電阻和鈦酸鋇壓敏電阻。氧化鋅壓敏電阻的主體材料是二價元素鋅和六價元素氧。因此,壓敏電阻經(jīng)常被簡稱為MOV,金屬氧化物壓敏電阻。

      壓敏電阻也被稱為突波吸收器,是一種具有電壓電流對稱特性的電壓屬性電阻器,它主要的設(shè)計(jì)是用來保護(hù)電子產(chǎn)品或元件免受開關(guān)或雷擊所產(chǎn)生突波的影響。壓敏電阻的響應(yīng)時間是ns級,比氣體放電管要快,但是比TVS管要慢一些,用在一般電子電路中進(jìn)行過壓防護(hù),響應(yīng)時間可以滿足要求。

      壓敏電阻在電路中的標(biāo)識如下:

      

      從圖片的標(biāo)識可以看出,壓敏電阻的原理圖符號是在電阻的基礎(chǔ)上增加了可變的意思。

      壓敏電阻封裝類型有直插式和貼片式。


     

      圖1和圖3長引線式是插件型,圖2和圖4封裝為貼片型。引線越短,寄生的電感和電容就越小,在受到浪涌沖擊時,壓敏電阻的殘壓一定時,因?yàn)榧纳鷧?shù)的影響會導(dǎo)致峰值電壓不一樣。在使用時,可以從同型號器件的不同封裝進(jìn)行對比參數(shù)差異。壓敏電阻最常見的是使用圖1的封裝放在電源口進(jìn)行浪涌防護(hù)。

      

      

      壓敏電阻器件構(gòu)造如下圖所示

      
      
      
      

      從上面的示意圖中可以看出,壓敏電阻主要有5個部件組成:絕緣層,本體,導(dǎo)電銀漿,連接條,引腳。

      2. 壓敏電阻伏安特性曲線
    
      壓敏電阻的伏安曲線如下圖所示,從上圖中可看出壓敏電阻的伏安曲線具有對稱性,比較適合實(shí)用交流電路中進(jìn)行過電壓的防護(hù)。

      

      壓敏電阻的伏案特性具有非線性,根據(jù)電壓的不同,可以將壓敏電阻的伏案曲線分為三個部分,漏電流區(qū)(Leakage Region)」、「工作區(qū) (Normal Region)」及「上轉(zhuǎn)區(qū) (Upturn Region)」。

      
      下面對這三個區(qū)進(jìn)行分別說明:

      (1)漏電流區(qū)

      當(dāng)壓敏電阻工作在漏電區(qū)時,此時壓敏電阻兩端的電壓較低,壓敏電阻對外表現(xiàn)出較大的阻抗,通常在MΩ級別,此時壓敏電阻在電路中僅僅會增加漏電流,器件不會動作。

      
      (2)工作區(qū)

      工作區(qū)也是壓敏電阻的非線性區(qū),此時電流在較大范圍內(nèi)變化,但是壓敏電阻兩端的電壓并沒有太大的變化,呈現(xiàn)較好的鉗位特性,這也正是壓敏電阻發(fā)揮作用的區(qū)間。

      
      (3)上轉(zhuǎn)區(qū)

      上轉(zhuǎn)區(qū)也被稱為飽和區(qū)。當(dāng)工作在非線區(qū)的壓敏電阻承受的電流繼續(xù)增大后,此時壓敏電阻限壓的特性會消失,電阻會急劇下降,阻抗變得很小,此時因?yàn)閴好綦娮钑驗(yàn)檩^大功耗而發(fā)熱,最終會將壓敏電阻燒毀甚至炸裂。因此,壓敏電阻在使用的時候,不能進(jìn)入到飽和區(qū)即上轉(zhuǎn)區(qū),基本上就損壞了。

      

      3. 壓敏電阻關(guān)鍵參數(shù)

      壓敏電阻的關(guān)鍵參數(shù)如下圖所示,來源于音特電子的官網(wǎng)5D系列的壓敏電阻。

      

      
      同理,對于君耀電子的壓敏電阻數(shù)據(jù)手冊如下圖所示。

      
      從上面兩個廠家的器件規(guī)格書可以提煉出壓敏電阻的關(guān)鍵參數(shù)有如下幾個:

      (1)壓敏電壓Varistor Voltage
     
      壓敏電壓是指在壓敏電阻兩端通1mA的直流電流來表示其是否導(dǎo)通的電壓。在有些規(guī)格書里面被稱為Vb,同時,壓敏電阻經(jīng)常會表示為V@ 1mA。從兩份規(guī)格書可以看出,壓敏電壓通常是一個范圍,同樣是18V的壓敏電壓,音特電子測出的電壓范圍在16~20V,而君耀電子是15~21.6V。因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出,壓敏電壓通常的誤差范圍在15%左右。在做實(shí)驗(yàn)時,如果發(fā)現(xiàn)壓敏電壓偏離正常值的15%,可認(rèn)為壓敏電阻為失效的狀態(tài)。

      (2)最大允許使用電壓 Maximum Allowable Voltage

      最大允許使用電壓里面包含了兩個電壓,直流電壓DC值和正弦交流電壓有效值A(chǔ)C值。也就是壓敏電阻能持續(xù)用在交流電路和直流電路時,壓敏電阻兩端的電壓不要超過這個推薦的數(shù)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,最大允許使用電壓Uac=0.6U1mA,Udc=0.8U1mA

      在電路中如果選用音特電子5D180K型號的壓敏電阻,那么直流電壓最大不要超過14V,交流電壓有效值不能超過11V,如果計(jì)算交流電壓的最大峰值15.5V。

      (3)最大限制(鉗位)電壓 Maximum Limited(Clamping)Voltage

      音特電子規(guī)格書中稱為最大限制電壓,君耀電子規(guī)格書中是最大鉗位電壓,所表達(dá)的意思是一樣的。在談到鉗位電壓時,有比較說明一下,電路防護(hù)器件防護(hù)類型有鉗位型和開關(guān)型,壓敏電組是屬于鉗位型的器件。

      

      也就是壓敏電阻在發(fā)揮作用后,即使外界的電壓很高,但是最終都會被鉗位型的器件鉗位在某一個固定的電壓。壓敏電阻的最大鉗位電壓是指,在壓敏電阻兩端施加規(guī)定的8/20us波沖擊電流時,壓敏電阻上呈現(xiàn)的電壓。施加的電流為某特定的脈沖電流波,在規(guī)格書中都有詳細(xì)的說明。如下圖所示。

      

      在音特電子規(guī)格書中還單獨(dú)對該電流進(jìn)行了說明,其他器件所使用的電流為5A,但是對于180K~680K型號的器件最大限制電壓改為1A。而在君耀電子的規(guī)格書中, 每個最大鉗位電壓會有一個對應(yīng)的施加電流值。

      
      比如選擇180K型號的壓敏電阻,可以看到器件的最大限制電壓為40V,也就是殘壓為40V,后級電路正常工作的電壓要高于40V才行,不然壓敏電阻將電壓鉗位在40V,后級還是會被損壞。

      (4)通流容量 Withstanding  Surge  Current

      通流能力也被稱為最大沖擊電流,是指壓敏電阻能承受1.2/50us和8/20us的沖擊電流峰值。在規(guī)定的條件下,規(guī)定的時間間隔和次數(shù),施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流,允許通過器件的最大電流。

      在音特電子規(guī)格書中要求能承受兩種不同的電流波形,但是在君耀電子的規(guī)格書里面只寫一種8/20us的沖擊電流,這種電流只需要施加一次就可以。判斷壓敏電阻在這種標(biāo)準(zhǔn)的電流波形沖擊下是否能承受住的標(biāo)準(zhǔn)是壓敏電壓是否存在10%的改變。

      從規(guī)格書中也能看到,這個同流能力包含兩個值,一個是標(biāo)準(zhǔn)的電流,數(shù)值比較小,而另外一個是更高的浪涌電流,數(shù)值相對更大。

      (5)靜態(tài)功率 Rated Wattage

      靜態(tài)功率是指壓敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下,可以承受施加在壓敏電阻上最大的平均功率。也就是這個功率和溫度有關(guān)系。在特定的環(huán)境溫度85℃下工作1000小時,使壓敏電壓變化小于10%的最大功率。

      (6)能量耐量  Energy

      能量耐量的意思是指在壓敏電阻兩端施加一個10/100us或者2ms的脈沖波時,壓敏電壓變化不能超過10%所能承受的能量。如果按照10%的變化會損壞壓敏電阻,那么就是上面的能力施加后,壓敏電阻不能失效。

      (7)靜態(tài)電容量  Typical capacitance

      靜態(tài)電容量,都會帶有一個@1KHz,也就是壓敏電阻在這樣的標(biāo)準(zhǔn)波形下面呈現(xiàn)出來的寄生電容值為對應(yīng)的數(shù)值,一般在幾千pF。

      (8)精度范圍

      指器件標(biāo)稱的壓敏電壓上下浮動的精度。一般為±10%

      (9)絕緣電阻

      在特定的環(huán)境溫度85℃下工作1000小時,使壓敏電壓變化小于10%的最大功率。

      (10)電流溫度系數(shù)

      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。

      (11)電壓非線性系數(shù)

      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。

      (12)殘壓比

      通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的殘壓。殘壓比則是殘壓與標(biāo)稱電壓之比。

      (13)漏電流

      壓敏電阻在電路中還未動作時,流過壓敏電阻的電流為漏電流。

      (14)電壓溫度系數(shù)

      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,壓敏電阻器兩端電壓的相對變化。

      (15)最大沖擊電流(8/20us)

      以特定的脈沖電流(8/20us波形)沖擊壓敏電阻器一次或兩次(每次間隔5分鐘),使壓敏電壓變化仍在10%以內(nèi)的最大沖擊電流。

      4. 壓敏電阻選型

      (1)確定應(yīng)用電路正常工作電壓和壓敏電壓。

      根據(jù)電路的工作電壓,通過以下的方式來確定壓敏電阻的標(biāo)稱壓敏電壓。一般情況下,實(shí)際的壓敏電壓是標(biāo)稱壓敏電壓存在誤差,這種誤差導(dǎo)致在計(jì)算實(shí)際壓敏電壓時,需要乘以1.1~1.2倍。

      如果是直流電路,考慮到實(shí)際直流電壓波動常見范圍為1.2~1.5,因此在直流電路中,一般為額定電壓的1.8~2倍。如果是交流電路,電壓峰值和有效值存在1.4倍的關(guān)系,交流電路中電壓也會存在波形,波動上限為1.4~1.5倍左右,因此,在交流電路中,一般為額定電壓的2.2~2.5(1.2*1.5*1.4)倍。

      具體的計(jì)算和原因分析在君耀電子的手冊中有詳細(xì)的介紹。對于過壓保護(hù)方面的應(yīng)用,要充分考慮到VDR雖然可以吸收很大的浪涌電能量,但是不能承受毫安級以上的持續(xù)電流;一般考慮V1mA和通流容量兩個參數(shù),VDR的壓敏電壓值要大于實(shí)際電路電壓值,還有電源電壓波動,壓敏電壓精度,壓敏電阻老化等因素,一般用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:
            

      a為電源電壓的波動系數(shù),一般?。?.1~0.3)


      v為在電路中壓敏電阻兩端的直流電壓(交流取電壓峰值)

      b為壓敏電阻誤差,一般取0.1~0.2

      c為元件的老化系數(shù),一般取0.1

      這樣算出來得到下面這個公式:

      V1mA = 1.35~1.8Vp = 1.9~2.5VAC,Vp為額定電壓峰值,VAC為交流電壓有效值一般會放寬到:V1mA = (1.8~2.0) Vp = (2.2~2.5) Vp

      (2)確定被保護(hù)電路的防護(hù)量級和通流量。

      根據(jù)防護(hù)量級確定壓敏電阻通流量,假設(shè)防護(hù)器件測量波形為8/20us主要有以下幾種計(jì)算方式。

      電源電路差模防護(hù):比如某電源接口差模防護(hù)量級測試需要達(dá)到2000V,那么根據(jù)回路內(nèi)阻2Ω,計(jì)算回路電流I為V測試/R內(nèi)阻=100A通流量選擇要求IMAX>I工作×2=2000A。

      電源電路共模防護(hù):比如某電源接口供模防護(hù)量級需要達(dá)到4000V,那么根據(jù)回路電阻為12Ω,計(jì)算回路電流330A,器件通流量選擇要求660A。

      信號電路共模防護(hù):比如某信號接口共模防護(hù)量級1000V,根據(jù)回路內(nèi)阻40Ω,計(jì)算回路25A,器件通流量選擇50A。

      (3)確定壓敏電阻兩端的結(jié)電容。

      結(jié)電容以不影響被防護(hù)電路的正常工作為準(zhǔn)。壓敏電阻的電容一般都較大,存在幾千pF級別,因此不適合用在高頻的場合,不然會影響電路的正常工作。

      電源電路如果加在線線之間結(jié)電容可以不用關(guān)注,如果加在線地之間那么需要考慮漏電流對于產(chǎn)品安全的影響。信號電路防護(hù)器件的結(jié)電容需要根據(jù)電保護(hù)電路信號速率來定,高速信號線上盡可能選擇結(jié)電容小的器件,以便不影響保護(hù)電路的正常工作。

      5. 壓敏電阻選型注意事項(xiàng)


      防護(hù)器件是要求器件最大通流量為理論計(jì)算通流量的兩倍以上,以便增加器件的使用壽命,即IMAX>I工作×2=1000A。

      通流量不能滿足使用要求時,可將幾只單個的壓敏電阻并聯(lián)使用,其通流量為各單只壓敏電阻之和,要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同,否則易引起分流不均而損壞壓敏電阻,這種方法可以使用,但是不推薦使用。

      由于壓敏電阻在抑制暫態(tài)過壓時,能量超過其額定容量時,一旦擊穿短路是不可恢復(fù)的,必須更換,因此在器件應(yīng)用到電源電路上前面必須加裝保險絲。

      壓敏電阻用于電源口對地進(jìn)行共模防護(hù)時,需要在線地之間增加保險絲,防止器件失效導(dǎo)致電源對地短路或者壓敏電阻配合氣體放電管對地使用。

      由于壓敏電阻結(jié)電容較大,在信號接口設(shè)計(jì)時需要考慮對工作信號的衰減。壓敏電阻一般用在工頻電路中。

      壓敏電阻使用時需要考慮殘壓大小是后級電路可以接受的。

      6. 壓敏電阻防護(hù)電路


      (1)交流防護(hù)
      
      壓敏電阻在進(jìn)行交流防護(hù)時,共模防護(hù)會和氣體放電管搭配使用,差模防護(hù)就使用單個壓敏電阻即可。

      (2)直流防護(hù)

      直流防護(hù)如果沒有PE線,直接在正負(fù)極之間放置壓敏電阻即可,如果有PE線可以參考交流防護(hù)的方式,共模和差模都需要進(jìn)行防護(hù)。下面是TDK官網(wǎng)展示的壓敏電阻防護(hù)的示意圖。
      
      
      考慮到壓敏電阻失效后電阻下降比較大,用在直流防護(hù)時,一般會和保險絲配合起來使用,當(dāng)后級有較大電流時,前級的保險絲可以快速的熔斷。