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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(xiě)VDR,或者叫Varistor,Variable(會(huì )變的)+ Resistor(電阻)。它的伏安特性曲線(xiàn)具有非線(xiàn)性。也就是壓敏電阻的阻值并不是固定的,存在動(dòng)態(tài)變化。

      這種電阻的動(dòng)態(tài)變化正是因為壓敏電阻兩端的電壓不同而表現出不同的阻值。即在一定電流電壓范圍內,壓敏電阻值隨電壓而變,或者說(shuō)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:在正常電壓下相當于一個(gè)小電容(結電容),當電路出現過(guò)電壓時(shí),利用壓敏電阻的非線(xiàn)性,它的內阻急劇下降并迅速導通,其工作電流增大幾個(gè)數量級,此時(shí)壓敏電阻的電壓會(huì )立馬被鉗位在某個(gè)固定值,因此。壓敏電阻與電路并聯(lián)使用,是一種過(guò)壓保護元件,從而保護電路不受過(guò)壓的影響而損壞。

      組成壓敏電阻的材料類(lèi)型比較多,常見(jiàn)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(jià)元素鋅和六價(jià)元素氧。因此,壓敏電阻經(jīng)常被簡(jiǎn)稱(chēng)為MOV,金屬氧化物壓敏電阻。

      壓敏電阻也被稱(chēng)為突波吸收器,是一種具有電壓電流對稱(chēng)特性的電壓屬性電阻器,它主要的設計是用來(lái)保護電子產(chǎn)品或元件免受開(kāi)關(guān)或雷擊所產(chǎn)生突波的影響。壓敏電阻的響應時(shí)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(guò)壓防護,響應時(shí)間可以滿(mǎn)足要求。

      壓敏電阻在電路中的標識如下:

      

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

      壓敏電阻封裝類(lèi)型有直插式和貼片式。


     

      圖1和圖3長(cháng)引線(xiàn)式是插件型,圖2和圖4封裝為貼片型。引線(xiàn)越短,寄生的電感和電容就越小,在受到浪涌沖擊時(shí),壓敏電阻的殘壓一定時(shí),因為寄生參數的影響會(huì )導致峰值電壓不一樣。在使用時(shí),可以從同型號器件的不同封裝進(jìn)行對比參數差異。壓敏電阻最常見(jiàn)的是使用圖1的封裝放在電源口進(jìn)行浪涌防護。

      

      

      壓敏電阻器件構造如下圖所示

      
      
      
      

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

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

      

      壓敏電阻的伏案特性具有非線(xiàn)性,根據電壓的不同,可以將壓敏電阻的伏案曲線(xiàn)分為三個(gè)部分,漏電流區(Leakage Region)」、「工作區 (Normal Region)」及「上轉區 (Upturn Region)」。

      
      下面對這三個(gè)區進(jìn)行分別說(shuō)明:

      (1)漏電流區

      當壓敏電阻工作在漏電區時(shí),此時(shí)壓敏電阻兩端的電壓較低,壓敏電阻對外表現出較大的阻抗,通常在MΩ級別,此時(shí)壓敏電阻在電路中僅僅會(huì )增加漏電流,器件不會(huì )動(dòng)作。

      
      (2)工作區

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

      
      (3)上轉區

      上轉區也被稱(chēng)為飽和區。當工作在非線(xiàn)區的壓敏電阻承受的電流繼續增大后,此時(shí)壓敏電阻限壓的特性會(huì )消失,電阻會(huì )急劇下降,阻抗變得很小,此時(shí)因為壓敏電阻會(huì )因為較大功耗而發(fā)熱,最終會(huì )將壓敏電阻燒毀甚至炸裂。因此,壓敏電阻在使用的時(shí)候,不能進(jìn)入到飽和區即上轉區,基本上就損壞了。

      

      3. 壓敏電阻關(guān)鍵參數

      壓敏電阻的關(guān)鍵參數如下圖所示,來(lái)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據手冊如下圖所示。

      
      從上面兩個(gè)廠(chǎng)家的器件規格書(shū)可以提煉出壓敏電阻的關(guān)鍵參數有如下幾個(gè):

      (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(lái)表示其是否導通的電壓。在有些規格書(shū)里面被稱(chēng)為Vb,同時(shí),壓敏電阻經(jīng)常會(huì )表示為V@ 1mA。從兩份規格書(shū)可以看出,壓敏電壓通常是一個(gè)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,根據經(jīng)驗總結出,壓敏電壓通常的誤差范圍在15%左右。在做實(shí)驗時(shí),如果發(fā)現壓敏電壓偏離正常值的15%,可認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(gè)電壓,直流電壓DC值和正弦交流電壓有效值AC值。也就是壓敏電阻能持續用在交流電路和直流電路時(shí),壓敏電阻兩端的電壓不要超過(guò)這個(gè)推薦的數值。根據經(jīng)驗值,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(guò)14V,交流電壓有效值不能超過(guò)11V,如果計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

      音特電子規格書(shū)中稱(chēng)為最大限制電壓,君耀電子規格書(shū)中是最大鉗位電壓,所表達的意思是一樣的。在談到鉗位電壓時(shí),有比較說(shuō)明一下,電路防護器件防護類(lèi)型有鉗位型和開(kāi)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(huì )被鉗位型的器件鉗位在某一個(gè)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定的8/20us波沖擊電流時(shí),壓敏電阻上呈現的電壓。施加的電流為某特定的脈沖電流波,在規格書(shū)中都有詳細的說(shuō)明。如下圖所示。

      

      在音特電子規格書(shū)中還單獨對該電流進(jìn)行了說(shuō)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。而在君耀電子的規格書(shū)中, 每個(gè)最大鉗位電壓會(huì )有一個(gè)對應的施加電流值。

      
      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(huì )被損壞。

      (4)通流容量 Withstanding  Surge  Current

      通流能力也被稱(chēng)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。在規定的條件下,規定的時(shí)間間隔和次數,施加標準的沖擊電流,允許通過(guò)器件的最大電流。

      在音特電子規格書(shū)中要求能承受兩種不同的電流波形,但是在君耀電子的規格書(shū)里面只寫(xiě)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準的電流波形沖擊下是否能承受住的標準是壓敏電壓是否存在10%的改變。

      從規格書(shū)中也能看到,這個(gè)同流能力包含兩個(gè)值,一個(gè)是標準的電流,數值比較小,而另外一個(gè)是更高的浪涌電流,數值相對更大。

      (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(gè)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(shí),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(gè)10/100us或者2ms的脈沖波時(shí),壓敏電壓變化不能超過(guò)10%所能承受的能量。如果按照10%的變化會(huì )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(huì )帶有一個(gè)@1KHz,也就是壓敏電阻在這樣的標準波形下面呈現出來(lái)的寄生電容值為對應的數值,一般在幾千pF。

      (8)精度范圍

      指器件標稱(chēng)的壓敏電壓上下浮動(dòng)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(shí),使壓敏電壓變化小于10%的最大功率。

      (10)電流溫度系數

      指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時(shí),溫度改變1℃時(shí),流過(guò)壓敏電阻器電流的相對變化。

      (11)電壓非線(xiàn)性系數

      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(dòng)態(tài)電阻值之比。

      (12)殘壓比

      通過(guò)壓敏電阻器的電流為某一值時(shí),在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為這一電流值的殘壓。殘壓比則是殘壓與標稱(chēng)電壓之比。

      (13)漏電流

      壓敏電阻在電路中還未動(dòng)作時(shí),流過(guò)壓敏電阻的電流為漏電流。

      (14)電壓溫度系數

      指在規定的溫度范圍(溫度為20℃~70℃)內,壓敏電阻器標稱(chēng)電壓的變化率,即在通過(guò)壓敏電阻器的電流保持恒定時(shí),溫度改變1℃時(shí),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?xún)鹊淖畲鬀_擊電流。

      4. 壓敏電阻選型

      (1)確定應用電路正常工作電壓和壓敏電壓。

      根據電路的工作電壓,通過(guò)以下的方式來(lái)確定壓敏電阻的標稱(chēng)壓敏電壓。一般情況下,實(shí)際的壓敏電壓是標稱(chēng)壓敏電壓存在誤差,這種誤差導致在計算實(shí)際壓敏電壓時(shí),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(dòng)常見(jiàn)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(huì )存在波形,波動(dòng)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。

      具體的計算和原因分析在君耀電子的手冊中有詳細的介紹。對于過(guò)壓保護方面的應用,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電流;一般考慮V1mA和通流容量?jì)蓚€(gè)參數,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(dòng),壓敏電壓精度,壓敏電阻老化等因素,一般用以下經(jīng)驗公式計算:
            

      a為電源電壓的波動(dòng)系數,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,一般取0.1

      這樣算出來(lái)得到下面這個(gè)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(huì )放寬到:V1mA = (1.8~2.0) Vp = (2.2~2.5) Vp

      (2)確定被保護電路的防護量級和通流量。

      根據防護量級確定壓敏電阻通流量,假設防護器件測量波形為8/20us主要有以下幾種計算方式。

      電源電路差模防護:比如某電源接口差模防護量級測試需要達到2000V,那么根據回路內阻2Ω,計算回路電流I為V測試/R內阻=100A通流量選擇要求IMAX>I工作×2=2000A。

      電源電路共模防護:比如某電源接口供模防護量級需要達到4000V,那么根據回路電阻為12Ω,計算回路電流330A,器件通流量選擇要求660A。

      信號電路共模防護:比如某信號接口共模防護量級1000V,根據回路內阻40Ω,計算回路25A,器件通流量選擇50A。

      (3)確定壓敏電阻兩端的結電容。

      結電容以不影響被防護電路的正常工作為準。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(chǎng)合,不然會(huì )影響電路的正常工作。

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

      5. 壓敏電阻選型注意事項


      防護器件是要求器件最大通流量為理論計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(mǎn)足使用要求時(shí),可將幾只單個(gè)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(guò)壓時(shí),能量超過(guò)其額定容量時(shí),一旦擊穿短路是不可恢復的,必須更換,因此在器件應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)行共模防護時(shí),需要在線(xiàn)地之間增加保險絲,防止器件失效導致電源對地短路或者壓敏電阻配合氣體放電管對地使用。

      由于壓敏電阻結電容較大,在信號接口設計時(shí)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(shí)需要考慮殘壓大小是后級電路可以接受的。

      6. 壓敏電阻防護電路


      (1)交流防護
      
      壓敏電阻在進(jìn)行交流防護時(shí),共模防護會(huì )和氣體放電管搭配使用,差模防護就使用單個(gè)壓敏電阻即可。

      (2)直流防護

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