压敏电阻的工作原理
1.压敏电阻“是一种具有非线性伏安特性的电阻器件(无极性),主要用于在电路承受过压时进行电压钳位,吸收多余的电流以保护敏感器件。英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”, 或者叫做“Varistor”
工作原理:
压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特征,当过电压出现在非线性压敏电阻两端时,压敏电阻可以将电压钳位在一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。具体实现过程理解:当加在压敏电阻两端的电压低于其阈值电压时,流过它的电流极小,它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说当加在它上面的电压低于其阈值时,它相当于一个断开的开关。当加在压敏电阻两端的电压高于其阈值电压时,流过它的电流激增,它相当于一个阻值无穷小的电阻。也就是说当加在它上面的电压高于其阈值时,它相当于一个闭合的开关。
主要作用:
压敏电阻主要应用于雷击、浪涌等的瞬态过电压保护。
失效模式:
压敏电阻会在所加电压过大时短路。压敏电阻承受高压出现雪崩击穿后会使压敏电阻充当分流器,基于这一特性,可防止在未检测到保护电路故障时,可能导致的负载损坏。使用压敏电阻时,请务必选择对重复浪涌具有重复耐久性的压敏电阻。
贴片压敏电阻其实就是小封装的过压/防静电的电路保护器件。由于贴片压敏电阻的规格与尺寸多种多样,从手持式电子产品到工业设备,在主板上的I/O端口(RS232,USB,PS2,VGA,音频)和笔记本电脑,机顶盒,MP3播放器,DVD播放器都离不开贴片压敏电阻的防护。
贴片压敏电阻的工作原理:
它相当于一个可变电阻,它是并联于电路中的。当电路在正常使用时,压敏电阻的阻抗很高,漏电流很小,可视为开路,对电路几乎没有影响。但当一很高的突波电压到来时,压敏电阻的电阻值瞬间下降(它的电阻值可以从MΩ(兆欧)级变到mΩ(毫欧)级),使它可以流过很大的电流,同时将过电压箝位在一定数值。由于压敏电阻的突波承受能力取决于它的物理尺寸,因而有可能获得不同的浪涌电流值。
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,流过它的电流很小,相当于一只关死的阀门,当电压超过UN时,它的阻值变小,这样就使得流过它的电流激增而对其他电路的影响变化不大从而减小过电压对后续敏感电路的影响。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。
压敏电阻在电路中的符号
2.压敏电阻的参数
压敏电阻器的主要参数有:标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。
(1) 压敏电压(VARISTOR VOLTAGE)
MYG05K规定通过的电流为0.1mA,MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K标称电压是指通过1mA直流电流时,压敏电阻器两端的电压值。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V1mA=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=1.5×1.414×220V=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) 最大允许电压(最大限制电压MAXIMUM ALLOWABLE VOLTAGE)
此电压分交流和直流两种情况,如为交流,则指的是该压敏电阻所允许加的交流电压的有效值,以ACrms表示,所以在该交流电压有效值作用下应该选用具有该最大允许电压的压敏电阻,实际上V1mA与ACrms间彼此是相互关联的,知道了前者也就知道了后者,不过ACrms对使用者更直接,使用者可根据电路工作电压,可以直接按ACrms来选取合适的压敏电阻。在交流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(2.2~2.5)Uac,式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时,有适当的安全裕度。对直流而言在直流回路中,应当有:min(U1mA) ≥(1.62)Udc,式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在信号回路中时,应当有:min(U1mA)≥(1.21.5)Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言,压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。
(3) 通流容量( Imax(8/20us))
通流容量也称通流量,是指在规定的条件(以规定的时间间隔和次数,施加标准的冲击电流)下,允许通过压敏电阻器上的最大脉冲(峰值)电流值。一般过压是一个或一系列的脉冲波。实验压敏电阻所用的冲击波有两种,一种是为8/20μs波,即通常所说的波头为8μs波尾时间为20μs的脉冲波,另外一种为2ms的方波。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,并联后的压敏电压不变,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。
(4) 最大限制电压(CLAMPING VOLTAGE (MAX.))
最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值,它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻器两端所产生的电压此电压又称为残压,所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平Vo,否则便达不到可靠的保护目的,通常冲击电流Ip值较大,例如2.5A或者10A,因而压敏电阻对应的最大限制电压Vc相当大,例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A时)。
(5) 最大能量(能量耐量)
压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算W=kIVT(J)
其中I——流过压敏电阻的峰值;
V——在电流I流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压;
T——电流持续时间;
k——电流I的波形系数。
对:
2ms的方波 k=1,
8/20μs波 k=1.4,
10/1000μs k=1.4。
压敏电阻对2ms方波,吸收能量可达330J每平方厘米;对8/20μs波,电流密度可达2000A每立方厘米,这表明他的通流能力及能量耐量都是很大的。
一般来说压敏电阻的片径越大,它的能量耐量越大,耐冲击电流也越大,选用压敏电阻时还应当考虑经常遇到能量较小、但出现频率次数较高的过电压,如几十秒、一两分钟出现一次或多次的过电压,这时就应该考虑压敏电阻所能吸收的平均功率。
(6) 电压比:电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。
(7) 额定功率
在规定的环境温度下所能消耗的最大功率。
(8) 最大峰值电流( SURGE CURRENT (8/20μs) )
一次以8/20μs标准波形的电流作一次冲击的最大电流值,此时压敏电压变化率仍在±10%以内。2次以8/20μs标准波形的电流作两次冲击的最大电流值,两次冲击时间间隔为5分钟,此时压敏电压变化率仍在±10%以内。
(9) 残压比
流过压敏电阻器的电流为某一值时,在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。残压比则为残压与标称电压之比。
(10)漏电流
漏电流又称等待电流,是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下,流过压敏电阻器的电流。
(11) 电压温度系数
电压温度系数是指在规定的温度范围(温度为20~70℃)内,压敏电阻器标称电压的变化率,即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时,温度改变1℃时压敏电阻两端的相对变化。
(12) 电流温度系数
电流温度系数是指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时,温度改变1℃时,流过压敏电阻器电流的相对变化。
(13) 电压非线性系数
电压非线性系数是指压敏电阻器在给定的外加电压作用下,其静态电阻值与动态电阻值之比。
(14) 绝缘电阻
绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线(引脚)与电阻体绝缘表面之间的电阻值。
(15) 静态电容
静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量。
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。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。
3.压敏电阻的应用
压敏电阻的Zv与电路总阻抗(包括浪涌源阻抗Zs)构成分压器,因此压敏电阻的限制电压为V=VsZv/(Zs+Zv)。Zv的阻值可以从正常时的兆欧级降到几欧,甚至小于1Ω。由此可见Zv在瞬间流过很大的电流,过电压大部分降落在Zs上,而用电器的输入电压比较稳定,因而能起到的保护作用。图(3)所示特性曲线可以说明其保护原理。直线段是总阻抗Zs,曲线是压敏电阻的特性曲线,两者相交于点Q,即保护工作点,对应的限制电压为V,它是使用了压敏电阻后加在用电器上的工作电压。Vs为浪涌电压,它已超过了用电器的耐压值VL,加上压敏电阻后,用电器的工作电压V小于耐压值VL,从而有效地保护了用电器。不同的线路阻抗具有不同的保护特性,从保护效果来看,Zs越大,其保护效果就越好,若Zs=0,即电路阻抗为零,压敏电阻就不起保护作用了。图(4)所描述的曲线可以说明Zs与保护特性之间的关系。
4.压敏电阻的三种电压
(1).连续工作电压
我们指,允许工作电压(工作控制电压):此电压分交流和直流两种情况。那说直流的,我们规定出这个工作电压上限主要是为了保证压敏电阻。在电源电路中应用时,有适当的保护。它是一个上限值,电路上的电压在它之下,是对压敏电阻是长期的保障,在他之上,短时也是没问题的(以小时计)。
(2).压敏电压或崩溃电压
缩写为V1mA=Vv=Varistorvoltage,压敏电压:通过的电流为1mA直流电流时,压敏电阻器两端的电压值。所谓压敏电压,即击穿电压或阈值电压。是压敏电阻对电压发生动作的一个指标,高于这个电压的话,压敏电阻会进行拦阻了。
(3).控制电压
一般是写成Vop=Operatingvoltage,控制电压是指压敏电阻器两端所能承受的高电压值,它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻时次两端所产生的电压,此电压又称为残压,所以选用的压敏电阻的控制电压(Vp)(残压)一定要小于被保护物的耐压水平Vo,否则便达不到可靠的保护目的。
一般地说,压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称压敏电压,即使在电源波动情况坏时,也不应高于额定值中选择的连续工作电压,该连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用,压敏电压值应大于实际电路的电压值,一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC。
5压敏电阻的特性
我们顾名思义,压敏,对电压很敏感。我们使用的时候,也是在特殊的场景下来使用的。比如一个 471 的压敏电阻,471的压敏,电阻他的电压敏感点就是在47*10^1=470V 这个点,如果,471这颗压敏电阻,两端的电压,低于470V压敏电阻的内阻非常非常大,相当于开路一样。
假设 Vcc=12V,如果压敏电阻使用了471的压敏电阻.在正常工作的时候,压敏电阻基本不会有电流的,因为此时压敏电阻阻抗太大了,那么几乎没有电流的话,压敏没有工作。那么,压敏既然在常态下,都没有去工作,那么我们为何要加上他呢?
正常 Vcc 电压是没问题的,但是,如果突然天空打雷闪电,刚好击中电网上,那么此时电网会产生一个很高的尖峰电压。虽然电网上会有防雷器,但是防雷器也是不能100%吸收掉所有尖峰的,那么是不是肯定还会有残留能量。如果这个残留尖峰电压超过470V,那么此时压敏电阻上的内阻,就会急剧变小的。此时就把这个尖峰电压给钳位了。
如果有尖峰电压过来,压敏电阻钳位了这个尖峰电压, 12V的Vcc 电压,把雷电残留电压钳位在470V,合不合适呢?那这个电流是不是也很大?470V相当于没有钳位啊,该烧的都已经烧掉了,所以啊,压敏电阻存在一个选型问题了。
压敏电阻选型
这个是压敏电阻的规格书,对于压敏电阻,我们最需要看的几个参数,第一个参数,这个是指的,压敏电阻的变阻电压,这里是 18V,括号中是 15-21.6V。变阻电压就是 18V 然后存在几 V 的误差。既然存在误差,我们在选的是要查查误差能不能满足我们的设计要求了。
看看这两个参数,有一个 Vac 交流,还有一个 Vdc 直流,我们先讲交流,如果我们的电源,输入有个压敏 180KD10,如果我们的电源,输入电 压最大的时候,Vac=12V,能不能使用 180KD10 这颗压敏电阻?AC 指的都是有效值。
其实很简单,最大输入电压 12VAC,是不可以使用的。最大输入电压,不可以超过这个电压的。
很显然,Vdc指的是如果我们的电源输入电压是直流电压,那么我们直接可以不超过14V,就可以使用的。
最后就是这个,这个是压敏电阻的通流量了,标准值和最大值,也就是有通过这么大电流的能力。
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