什么是壓敏電阻器及其分類與參數(shù)?
目前市場(chǎng)上壓敏電阻主要分為普通插件壓敏電阻,雷壓敏電阻,和
貼片壓敏電阻防普通插件壓敏電阻主要是用于線路過(guò)壓保護(hù),和小器件電子產(chǎn)品的防雷過(guò)壓保護(hù),片徑普遍在20mm以下,防雷壓敏電阻主要是指片徑在25mm以上的插件壓敏電阻,引線形式一般分為直引線或者電極片方式,其中電極片方式因其結(jié)構(gòu)原因具有更大的流通量,貼片壓敏電阻主要用來(lái)作為低壓產(chǎn)品的過(guò)壓保護(hù)或者
ESD防靜電,封裝形式從(0201~4032)使用在ESD靜電防護(hù)上貼片壓敏電阻,特別是信號(hào)線的ESD防護(hù)需要注意其寄生電容的大小,對(duì)于高頻信號(hào)選用防靜電壓敏電阻電容量應(yīng)盡量選小。下面是ESD靜電防護(hù)推薦電容量選擇。
壓敏電阻器與其他浪涌抑制器比較的優(yōu)勢(shì)
1. 更好的熱特性
與硅
二極管只有一個(gè)P-N結(jié)承受浪涌電流不一樣,氧化鋅壓敏電阻器是由數(shù)百萬(wàn)個(gè)P-N結(jié)組成,這種結(jié)構(gòu)有更好的能量吸收能力和浪涌承受能力。
2.反應(yīng)速度快
壓敏電阻器有與其它的半導(dǎo)體元件類似的動(dòng)作特性。因?yàn)閴好綦娮杵鞯膫鲗?dǎo)發(fā)生非???,延時(shí)只在納秒級(jí)的范圍內(nèi),所以能夠滿足任何實(shí)際需求。
3.過(guò)溫條件下有穩(wěn)定的電壓
在超過(guò)崩潰電壓的情況下,一旦環(huán)境溫度超過(guò)正常的工作溫度范圍,齊納二極管的限制電壓會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而升高,而壓敏電阻器的限制電壓在超過(guò)工作溫度范圍的情況下仍然幾乎保持恒定。當(dāng)壓敏電阻器的漏電流隨著元件本體溫度的升高而增加時(shí),壓敏電阻器的限制電壓不會(huì)隨著溫度的改變而改變。
4.電容
與齊納二極管相比,壓敏電阻器有更高的電容值,根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)浪涌抑制器的電容值是不同的,在直流電路中,壓敏電阻器的電容既可起到去耦的作用又可以起到抑制瞬時(shí)過(guò)電壓的雙重作用。
5.低成本
與二級(jí)管相比,壓敏電阻器具有成本低和尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用介面 |
傳輸速率
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上升時(shí)間
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建議使用容值
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HDMI 1.3 Data Port |
10.2G bps |
0.02~0.03ns |
<0.15pF |
USB 3.0 Data Port
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4.80G bps
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0.05~0.06ns
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<0.3pF
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USB 2.0 Data Port
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480M bps
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0.5~0.6ns
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<4pF
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USB 1.0 Data Port
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12M bps
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4~20ns
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5~10 pF
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Wireless Device
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1.5M bps
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75~300ns
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5~10 pF
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RS232, IrDA1.0
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115.2 K
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1us~8us
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10~100 pF
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Audio (Microphone/Sperker)
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20~20K Hz
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0.05ms~5ms
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10~1000 pF
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下面先介紹以下插件壓敏電阻
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壓敏電阻器簡(jiǎn)稱VSR,是一種對(duì)電壓敏感的非線性過(guò)電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。它在電路中用文字符號(hào)“RV”或“R”表示,圖1-21是其電路圖形符號(hào)。
(一)壓敏電阻器的種類
壓敏電阻器可以按結(jié)構(gòu)、制造過(guò)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?yàn)殡娮梵w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(duì)稱型壓敏電阻器(無(wú)極性)和非對(duì)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(shí),壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大,內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí),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(shí),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(guò)其最大限制電壓時(shí),壓敏電阻器將完全擊穿損壞,無(wú)法再自行恢復(fù)。
過(guò)壓保護(hù)器件的選型要點(diǎn)
電路保護(hù)主要有三種形式:過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)。選擇適當(dāng)?shù)碾娐繁Wo(hù)器件是實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電路保護(hù)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵的第一步,那么,如何合理選擇電路保護(hù)器件?不同的保護(hù)器件其保護(hù)原理也各有不同,選擇的時(shí)候應(yīng)結(jié)合其保護(hù)原理、工作條件和使用環(huán)境來(lái)考慮。本文李工將介紹常用的幾種過(guò)壓選型技巧,幫助大家來(lái)正確選擇電路保護(hù)器件。
過(guò)壓保護(hù)器件(OVP)用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞,常用的過(guò)壓保護(hù)器件有壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過(guò)壓保護(hù)器件選型應(yīng)注意以下四個(gè)要點(diǎn):
1)關(guān)斷電壓Vrwm的選擇。一般關(guān)斷電壓至少要比線路最高工作電壓高10%
2)箝位電壓VC的選擇。VC是指在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓,它必須小于被保護(hù)電路的能承受的最大瞬態(tài)電壓
3)浪涌功率Pppm的選擇。不同功率,保護(hù)的時(shí)間不同,如600w(10/1000us);300W(8/20us)
4)極間電容的選擇。被保護(hù)元器件的工作頻率越高,要求TVS的電容要越小。
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(guò)電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)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(shí)測(cè)得的電壓值,其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10-9000V不等。可根據(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(hù)效果與使用壽命。如一臺(tái)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(guò)的電流為0.1mA,MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標(biāo)稱電壓是指通過(guò)1mA直流電流時(shí),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(shí)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(guò)ACrms對(duì)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(lái)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(shí),有適當(dāng)?shù)陌踩6取?duì)直流而言在直流回路中,應(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(shí),有適當(dāng)?shù)陌踩6?。在信?hào)回路中時(shí),應(yīng)當(dāng)有:min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax,式中Umax為信號(hào)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(jì)指標(biāo)來(lái)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(jì)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(duì)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(guò)± 10%時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長(zhǎng)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(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量。然而從保護(hù)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(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計(jì)算的。簡(jiǎn)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(shí)間間隔和次數(shù),施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流)下,允許通過(guò)壓敏電阻器上的最大脈沖(峰值)電流值。一般過(guò)壓是一個(gè)或一系列的脈沖波。實(shí)驗(yàn)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(shuō)的波頭為8μs波尾時(shí)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(guò)壓敏電阻時(shí)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(hù)物的耐壓水平Vo,否則便達(dá)不到可靠的保護(hù)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(duì)應(yīng)的最大限制電壓Vc相當(dāng)大,例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A時(shí))。
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(jì)算W=kIVT(J)
其中I——流過(guò)壓敏電阻的峰值
V——在電流I流過(guò)壓敏電阻時(shí)壓敏電阻兩端的電壓
T——電流持續(xù)時(shí)間
k——電流I的波形系數(shù)
對(duì):
2ms的方波 k=1
8/20μs波 k=1.4
10/1000μs k=1.4
壓敏電阻對(duì)2ms方波,吸收能量可達(dá)330J每平方厘米;對(duì)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(lái)說(shuō)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(shí)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(guò)電壓,如幾十秒、一兩分鐘出現(xiàn)一次或多次的過(guò)電壓,這時(shí)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(shí)產(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時(shí)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(shí)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(shí)間間隔為5分鐘,此時(shí)壓敏電壓變化率仍在±10%以內(nèi)。
9.殘壓比: 流過(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(guò)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(guò)壓敏電阻器的電流保持恒定時(shí),溫度改變1℃時(shí)壓敏電阻兩端的相對(duì)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(shí),溫度改變1℃時(shí),流過(guò)壓敏電阻器電流的相對(duì)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(dòng)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。