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氧化鋅壓敏電阻器的原理簡(jiǎn)介與使用_第3頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、氧化鋅壓敏電阻器的原理簡(jiǎn)介與使用“壓敏電阻是中國(guó)大陸的名詞,意思是在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變,或者是說電阻值對(duì)電壓敏感的阻器。相應(yīng)的英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor”簡(jiǎn)寫為“VDR”。 壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體,所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種。現(xiàn)在大量使用的氧化鋅(ZnO)壓敏電阻器,它的主體材料有二價(jià)元素(Zn)和六價(jià)元素氧(O)所構(gòu)成。所以從材料的角度來看,氧化鋅壓敏電阻器是一種“-族氧化物半導(dǎo)體”。 在中國(guó)臺(tái)灣,壓敏電阻器是按其用途來命名的,稱為突波吸收器。壓敏電阻器按其用途有時(shí)也稱為“電沖擊(浪涌)抑制器(吸收器)”。一、氧化鋅壓敏電阻器

2、微觀結(jié)構(gòu)及特性氧化鋅壓敏電阻器是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、經(jīng)典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。它的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。氧化鋅陶瓷是由氧化鋅晶粒及晶界物質(zhì)組成的,其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N型半導(dǎo)體,晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài),這樣每一微觀單元是一個(gè)背靠背肖特基勢(shì)壘,整個(gè)陶瓷就是由許多背靠背肖特基墊壘串并聯(lián)的組合體。圖2是壓敏電阻器的等效電路。氧化鋅壓敏電阻器的典型V-I特性曲線如圖3所示:預(yù)擊穿區(qū):在此區(qū)域內(nèi),施加于壓敏電阻器兩端的電壓小于其壓敏電壓,其導(dǎo)電屬于熱激發(fā)電子電導(dǎo)機(jī)理。因此,壓敏電阻器相當(dāng)于一個(gè)10M以上的絕緣電阻(Rb遠(yuǎn)大于Rg),這

3、時(shí)通過壓敏電阻器的阻性電流僅為微安級(jí),可看作為開路。該區(qū)域是電路正常運(yùn)行時(shí)壓敏電阻器所處的狀態(tài)。 擊穿區(qū):壓敏電阻器兩端施加一大于壓敏電壓的過電壓時(shí),其導(dǎo)電屬于隧道擊穿電子電導(dǎo)機(jī)理(Rb與Rg相當(dāng)),其伏安特性呈優(yōu)異的非線性電導(dǎo)特性,即: I=CV其中 I通過壓敏電阻器的電流 C與配方和工藝有關(guān)的常數(shù) V壓敏電阻器兩端的電壓 為非線性系數(shù),一般大于30 由上式可見,在擊穿區(qū),壓敏電阻器端電壓的微小變化就可引起電流的急劇變化,壓敏電阻器正是用這一特性來抑制過電壓幅值和吸收或?qū)Φ蒯尫胚^電壓引起的浪涌能量。上升區(qū):當(dāng)過電壓很大,使得通過壓敏電阻器的電流大于約100A/cm2時(shí),壓敏電阻器的伏安特性主

4、要由晶粒電阻的伏安特性來決定。此時(shí)壓敏電阻器的伏安特性呈線性電導(dǎo)特性,即: I=V/Rg上升區(qū)電流與電壓幾乎呈線性關(guān)系,壓敏電阻器在該區(qū)域已經(jīng)劣化,失去了其抑制過電壓、吸收或釋放浪涌的能量等特性。 根據(jù)壓敏電阻器的導(dǎo)電機(jī)理,其對(duì)過電壓的響應(yīng)速度很快,如帶引線式和專用電極產(chǎn)品,一般響應(yīng)時(shí)間小于25納秒。因此只要選擇和使用得當(dāng),壓敏電阻器對(duì)線路中出現(xiàn)的瞬態(tài)過電壓有優(yōu)良的抑制作用,從而達(dá)到保護(hù)電路中其它元件免遭過電壓破壞的目的。二、特點(diǎn)(1) 通流容量大(2) 限制電壓低(3) 響應(yīng)速度快(4) 無續(xù)流(5) 對(duì)稱的伏安特性(即產(chǎn)品無極性)(6) 電壓溫度系數(shù)低三、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用及注意事項(xiàng)1、

5、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用原理壓敏電阻器與被保護(hù)的電器設(shè)備或元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時(shí),壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備及元器件同時(shí)承受Vs,由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快,它以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導(dǎo)電特性(見圖3中擊穿區(qū)),此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs,這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過電壓Vs,從而使設(shè)備及元器件免遭過電壓的沖擊。2、氧化鋅壓敏電阻器的參數(shù)選擇 根據(jù)被保護(hù)電源電壓選擇壓敏電阻器的規(guī)定電流下的電壓V1mA。一般選擇原則為:對(duì)于直流回路:V1mA2.0VDC對(duì)于交流回路:V1mA2.2V有效值 如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低

6、,而浪涌能量又比較大,則可選擇壓敏電壓V1mA較低、片徑較大的壓敏電阻器;如果Vo較高,則可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器,這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備,又能延長(zhǎng)壓敏電阻使用壽命。3、氧化鋅壓敏電阻器的使用方法壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護(hù)元件,無論是交流還是直流電路,只需將壓敏電阻器與被保護(hù)電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的(如圖4所示) 當(dāng)過電壓幅值高于規(guī)定電流下的電壓,過電流幅值小于壓敏電阻器的最大峰值電流時(shí)(若無壓敏電阻器足以使設(shè)備元器件破壞),壓敏電阻器處于擊穿區(qū),可將過電壓瞬時(shí)限制在很低的幅值上,此時(shí)通過壓敏電阻器的浪涌電流幅值不大(100A/cm2),不足以對(duì)壓敏電阻器

7、產(chǎn)生劣化;當(dāng)過電壓幅值很高時(shí),壓敏電阻器將過電壓限制在較低的水平上(小于設(shè)備的耐壓水平),同時(shí)通過壓敏電阻器的沖擊電流很大,使壓敏電阻器性能劣化即將失效,這時(shí)通過熔斷器的電流很大,熔斷器斷開,這樣既可使電器設(shè)備、元器件免受過電壓沖擊,也可避免由于壓敏電阻器的劣化擊穿造成線路L-N、L-PE之間短路(推薦的熔斷器規(guī)格見表1)。 壓敏電阻器在電路的過電壓防護(hù)中,如果正常工作在圖3的預(yù)擊穿區(qū)和擊穿區(qū),理論上是不會(huì)損壞的。但由于壓敏電阻器要長(zhǎng)期承受電源電壓,電路中暫態(tài)過電壓、超能量過電壓隨機(jī)的不斷沖擊及吸收電路儲(chǔ)能元件釋放能量,因此,壓敏電阻器也是會(huì)損壞的,它的壽命根據(jù)所在電路經(jīng)受的過電壓幅值和能量的

8、不同而不同。應(yīng)用類型 不同的使用場(chǎng)合,應(yīng)用壓敏電阻的目的,作用在壓敏電阻上的電壓/電流應(yīng)力并不相同,因而對(duì)壓敏電阻的要求也不相同,注意區(qū)分這種差異,對(duì)于正確使用是十分重要的。 根據(jù)使用目的的不同,可將壓敏電阻區(qū)分為兩大類:保護(hù)用壓敏電阻,電路功能用壓敏電阻。 保護(hù)用壓敏電阻 (1) 區(qū)分電源保護(hù)用,還是信號(hào)線,數(shù)據(jù)線保護(hù)用壓敏電阻器,它們要滿足不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 (2) 根據(jù)施加在壓敏電阻上的連續(xù)工作電壓的不同,可將跨電源線用壓敏電阻器可區(qū)分為交流用或直流用兩種類型,壓敏電阻在這兩種電壓應(yīng)力下的老化特性表現(xiàn)不同。 (3) 根據(jù)壓敏電阻承受的異常過電壓特性的不同,可將壓敏電阻區(qū)分為浪涌抑制型

9、,高功率型和高能型這三種類型。 浪涌抑制型:是指用于抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器,這種瞬態(tài)過電壓的出現(xiàn)是隨機(jī)的,非周期的,電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類。 高功率型:是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器,例如并接在開關(guān)電源變換器上的壓敏電阻,這里沖擊電壓周期出現(xiàn),且周期可知,能量值一般可以計(jì)算出來,電壓的峰值并不大,但因出現(xiàn)頻率高,其平均功率相當(dāng)大。 高能型:指用于吸收發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈,起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器,對(duì)這類應(yīng)用,主要技術(shù)指標(biāo)是能量吸收能力。 壓敏電阻器的保護(hù)功能,絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下,是可以多次反復(fù)作用的,但有時(shí)也將它做成電流保險(xiǎn)絲那樣的一次性保護(hù)器件。例如并接在某些電流互感器負(fù)載上的帶短路接點(diǎn)壓敏電阻。 電路功能用壓敏電

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