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第二講:瞬態(tài)抑制二極管(TVS)如何進(jìn)行電路保護(hù)
第四講:氣體放電管如何保護(hù)電路不受雷電浪涌的損壞
1、壓敏電阻的定義及參數(shù)
壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性,當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間,壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對固定的電壓值,從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有:壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。
壓敏電阻用字母“MY”表示,如加J為家用,后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分別用于穩(wěn)壓、過壓保護(hù)、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補(bǔ)償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量,但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流,在用作過壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用,一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個(gè)參數(shù)。
a、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)測得的電壓值,其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10-9000V不等??筛鶕?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××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。
b、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± 10%時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命,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,則選用2-20KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿足使用要求時(shí),可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用,并聯(lián)后的壓敏電不變,其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。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勻而損壞壓敏電阻。
2、壓敏電阻與其它保護(hù)技術(shù)的比較
壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級,比空氣放電管快,比TVS管稍慢一些,一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千Pf的數(shù)量級范圍,很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號線路的保護(hù)中,應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí),因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流,在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大,但比氣體放電管小。 詳細(xì)內(nèi)容,可參見TVS管、穩(wěn)壓二極管和壓敏電阻的區(qū)別
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3、壓敏電阻技術(shù)介紹
壓敏電阻本體結(jié)構(gòu)由以晶粒邊界分隔的導(dǎo)電ZNO晶粒矩陣組成,該晶粒邊界具有P-N結(jié)半導(dǎo)體特性。 這些邊界負(fù)責(zé)阻擋低電壓的傳導(dǎo),同時(shí)在較高電壓下產(chǎn)生非線性導(dǎo)電性。
圖1 常規(guī)壓敏電阻V-I特性
壓敏電阻具有對稱、突然的擊穿特性曲線(見圖1),使其可提供出色的瞬態(tài)抑制性能。 當(dāng)受到高瞬態(tài)電壓沖擊時(shí),壓敏電阻阻抗將變化多個(gè)數(shù)量級,從近于開路變?yōu)楦邔?dǎo)電級別,進(jìn)而將電壓鉗制在一個(gè)安全水平。 壓敏電阻吸收瞬態(tài)脈沖的潛在破壞能量,保護(hù)脆弱的電路元件。
當(dāng)設(shè)備主體中遍布的ZNO 晶粒間出現(xiàn)導(dǎo)電現(xiàn)象時(shí),壓敏電阻比相應(yīng)的單P-N結(jié)產(chǎn)品(如齊納二極管)具有更強(qiáng)大的性能。 壓敏電阻中,能量在整個(gè)設(shè)備主體中被均衡吸收,因而其產(chǎn)生的熱量可得到平均的分布。 壓敏電阻能以多種進(jìn)行燒結(jié)制造形狀,如盤式、芯片式和管式等,電氣性質(zhì)則主要由壓敏電阻機(jī)體的外形尺寸所決定。 能量額定值由體積所決定,額定電壓由厚度或電流路徑的長度所決定,電流能力由沿垂直于電流流動(dòng)方向測定的面積所決定。
4、壓敏電阻的應(yīng)用原理
壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件,可以用來代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對IC及其它設(shè)備的電路進(jìn)行保護(hù),防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流(如雷擊等)而造成對它們的損壞。使用時(shí)只需將壓敏電阻器并接于被保護(hù)的IC或設(shè)備電路上,當(dāng)電壓瞬間高于某一數(shù)值時(shí),壓敏電阻器阻值迅速下降,導(dǎo)通大電流,從而保護(hù)IC或電器設(shè)備;當(dāng)電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時(shí),壓敏電阻器阻值極高,近乎開路,因而不會(huì)影響器件或電器設(shè)備的正常工作。
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5、壓敏電阻的選用
選用壓敏電阻器前,應(yīng)先了解以下相關(guān)技術(shù)參數(shù):
標(biāo)稱電壓是指在規(guī)定的溫度和直流電流下,壓敏電阻器兩端的電壓值。
漏電流是指在25℃條件下,當(dāng)施加最大連續(xù)直流電壓時(shí),壓敏電阻器中流過的電流值。
等級電壓是指壓敏電阻中通過8/20等級電流脈沖時(shí)在其兩端呈現(xiàn)的電壓峰值。
通流量是表示施加規(guī)定的脈沖電流(8/20μs)波形時(shí)的峰值電流。
浪涌環(huán)境參數(shù)包括最大浪涌電流Ipm(或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo)、浪涌脈沖寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時(shí)間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預(yù)定工作壽命期內(nèi),浪涌脈沖的總次數(shù)N等。
6、對于電路浪涌和瞬變防護(hù)時(shí)壓敏電阻的應(yīng)用連接,大致可分為四種類型:
第一種:電源線之間或電源線和大地之間的連接
作為壓敏電阻器,最具有代表性的使用場合是在電源線及長距離傳輸?shù)男盘柧€遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖等情況下對電子產(chǎn)品起保護(hù)作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對線間的感應(yīng)脈沖有效,而在線與地間接入壓敏電阻則對傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若進(jìn)一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來,則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。
第二種:負(fù)荷中的連接
它主要用于對感性負(fù)載突然開閉引起的感應(yīng)脈沖進(jìn)行吸收,以防止元件受到破壞。一般來說,只要并聯(lián)在感性負(fù)載上就可以了,但根據(jù)電流種類和能量大小的不同,可以考慮與R-C串聯(lián)吸收電路合用。
第三種:接點(diǎn)間的連接
這種連接主要是為了防止感應(yīng)電荷開關(guān)接點(diǎn)被電弧燒壞的情況發(fā)生,一般與接點(diǎn)并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。
第四種:主要用于半導(dǎo)體器件的保護(hù)連接
這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導(dǎo)體器件,一般采用與保護(hù)器件并聯(lián)的方式,以限制電壓低于被保護(hù)器件的耐壓等級,這對半導(dǎo)體器件是一種有效的保護(hù)。
7、壓敏電阻進(jìn)行ESD防護(hù)時(shí)需注意的問題
1)壓敏電阻響應(yīng)的時(shí)間應(yīng)小于ESD電壓上升的時(shí)間,因此必須選用片式壓敏電阻進(jìn)行ESD防護(hù),片式壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間小于0.5ns,而插件式壓敏電阻由于引腳的影響,響應(yīng)時(shí)間較慢。
2)壓敏電阻最大直流(交流)工作電壓應(yīng)大于線路上的工作電壓。
3)對于高速信號傳輸線上的ESD防護(hù)盡量選用電容量小的壓敏電阻。
4)安全起見,壓敏電阻瞬態(tài)內(nèi)阻Rv<1/5R(R為被保護(hù)線路上的內(nèi)阻)
8、過電壓防護(hù)時(shí)應(yīng)注意
1)壓敏電阻最大直流(交流)工作電壓大于被保護(hù)線路上的工作電壓
2)壓敏電阻的通流能力、能量耐受能力要大于線路上可能出現(xiàn)的電流、能量的峰值。
3)壓敏電阻的限制電壓必須低于被保護(hù)線路所能承受的最大的電壓。
4)條件允許盡可能選用容量比較大的壓敏電阻進(jìn)行過電壓防護(hù),因?yàn)橐话阏f來,容量大,通流能力、能量耐受能力越強(qiáng)。