MOV[压敏电阻器]基础知识培训手册.docx
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1、.word 文档专业资料、仅供参考压敏电阻器根底学问培训手册第一章通 用 型 氧 化 锌 压 敏 电 阻 器.内容齐全.学习、共享、下载1.1 什么是“压敏电阻器”“压敏电阻器”是中国大陆通用的名词,在中国台湾地区,它被称为“突波吸取器”;在日本,它被称为“變阻器”;国际电工委员会IEC在其标准中称之为“voltage dependent resistor”简称 VDR;而在业界和学术界最广泛使用的名词则是“varistor”即由 variable和 resistor 两个英文单词组成的组合词。从字面上理解,这些名词的含义为“电阻值随着外加电压敏感变化的电阻器”。1.0E+081.0E+071
2、.0E+06) 1.0E+05 (值 1.0E+04 阻 1.0E+03 电 1.0E+021.0E+011.0E+001.0E-01100150200250300350400450外加电压(V)图1-1-1 20D201K压敏电阻电阻值与外加电压的关系那么压敏电阻器的电阻值是如何随着外加电压变化敏感的呢?图1-1-1 和表 1-1-1 可以给我们一个比较直观的说明。从中我们可以看到,型号为 20D201K 的压敏电阻器随着外加电压从 180V 上升到 420V,其电阻值从 18 M 下降为 0.42,在这个过程里,电压仅上升了 2.33 倍,而电阻值下降了4280 多万倍。由此可见压敏电阻器
3、的电阻值对外加电压的变化是格外“敏感”的。表 1-1-120D201K 压敏电阻器的电阻值随外加电压的变化UV180192200250310356420R1.81071.92106200103250313.560.42压敏电阻的精准定义可从材料、特性和用途三个方面综合得出。从材料组成上看,压敏 电阻是由电子级粉体材料氧化锌、氧化铋、氧化锑、氧化钛、氧化钴、氧化锰、氧化镍、氧化铬等多种氧化物合成的,其中,氧化锌的含量最高约90,是主基料;其他各种过渡金属氧化物的含量相差很大,较多的占百分之几,较小的仅有十万分之几,被称为添加剂; 压敏电阻就是由主基料和添加剂依据配方一一称好后,经球磨、喷雾造粒、
4、干压成型、排胶、 烧结、外表金属化、插片、包封、打标等一系列标准的精细电子陶瓷和通用元件工艺制造而成的。从特性或功能上看,压敏电阻器是一种电阻值随着外加电压敏感变化的电阻器,因此它的主要用途是:特别过电压的感知、抑制和浪涌能量的吸取。综上所述,我们可以给压敏电阻下这样一个定义:压敏电阻是由在电子级ZnO 粉末基料中掺入少量的电子级Bi O 、Co O 、MnO、Sb O 、2323223TiO 、Cr O 、Ni O等多种添加剂,经混合、成型、烧结等工艺过程制成的精细电子陶瓷;22323它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性,主要用于感知、限制电路中可能消灭的各种瞬态过电压、吸取浪涌能量。从以上
5、定义我们可以看出:压敏电阻器既是一种过电压的传感器 sensor,同时又是过电压的抑制器;因此我们对压敏电阻器的要求不仅包括它作为传感器的各种技术指标,而.word 文档专业资料、仅供参考且也包括它作为动作元件的特性、寿命和安全要求。由于压敏电阻器具有电阻值随着外加电压敏感变化的特性,所以它属于半导体陶瓷元件大家族中一员,其他的半导体陶瓷元件主要有,对温度敏感的PTC、NTC 以及各种气敏、湿敏、光敏、磁敏等元件。在压敏电阻的进展史上,除了氧化锌压敏电阻以外,还曾消灭过齐纳二极管、SiC、硒 堆、氧化锡等压敏电阻,由于齐纳二极管性价比较低、SiC、硒堆、氧化锡等压敏电阻的特 性不能满足应用的需
6、要,现在都已经被氧化锌压敏电阻取代;现在,我们一提到压敏电阻, 几乎全部指的是氧化锌压敏电阻。氧化锌压敏电阻起源于日本。1967 年 7 月,日本松下电器公司无线电试验室Wireless Research Laboratory, Matsushita Electric Industry Co., Ltd的松冈道雄在争论金属电极氧化锌陶瓷界面时,无意中觉察 ZnO+Bi2O3 复合陶瓷具有压敏特性。进一步的试验又觉察,如果在以上二元系陶瓷中再参与微量的氧化锰、氧化钴、氧化铬、氧化锑等多种氧化物,这种复合陶瓷的非线性系数可以到达 50 左右,其外特性类似两支反并联在一起的齐纳二极管, 通流力气不亚
7、于SiC 材料,临界击穿电压可以通过转变元件的尺寸便利地加以调整,而且这种性能优异的压敏元件通过简洁的陶瓷工艺就能制造出来,因而性能价格比极高。1972 年美国通用电气公司GE购置了松下有关氧化锌压敏材料的大局部专利和技术诀窍。自从美国把握了氧化锌压敏材料的制造技术以后,有关这种材料的根底争论工作得以大规模地进展。自 1980 年月起,对氧化锌压敏材料的争论渐渐走出了企业。在根底争论的指导和推动下,压敏电阻的性能得到不断的提升,应用领域不断扩大;产品的外形已从“阀片式”、“圆片引线式”进展到了“外表贴装式”和“阵列式”,使用电压等级已扩展到从 5伏到 50 万伏的全系列,目前已经到了“有电必有
8、压敏电阻”的程度。1.2 压敏电阻器的伏安特性和电性能参数与其他元件相比,压敏电阻器的电性能参数较多,假设要很好地理解这些参数的意义,就要首先了解压敏电阻器的外加电压与流过压敏电阻器本体电流之间的关系,这个关系被称为伏安特性V/I 特性。压敏电阻的典型伏安特性如图 1-2-1 所示。由该图看出,V/I 曲线可明显地分为三个区域:预击穿区(J=010-5A/cm2)、击穿区J= 10-510拐A点/cm2、上升区J 10A/cm2。预击穿区的 V/I 特性呈现lgJE1/2 的关系,如图 1-2-2 所示。击穿区的特性呈观lgJlgE 的关系,且可表示为:)mJ = (E K )a1.2.1或I
9、 = (U K )am/V(式中,K 为常数、表示击穿区的非E压电加外线性系数。电流密度 J ( A/cm2 )图 1-2-1 压敏电阻的伏安特性242)/1V(.内容齐全.学习、共享、下载图 1-2-2 预击穿区的伏安特性.word 文档专业资料、仅供参考上升区的特性呈现 JE 的欧姆关系。压敏电阻的伏安特性随温度的变化如图 1-2-3 所示。由该图可见预击穿区的 V/I 特性随温度变化很大,即在外加电压一样的状况下,流过压敏电阻的电流会随着环境温度的提高而大幅度增加;击穿区的 V/I 特性几乎不受温度的影响。虽然每只压敏电阻都有它特定的 V/I 特性曲线, 但是同规格压敏电阻的 V/I 特
10、性曲线又是比较近似的,我们在产品说明书中只要给出每个规格产品的 最典型 V/I 特性曲线,一般就可以满足用户的需要。从压敏电阻的典型伏安特性曲线图1-2-1我们可以很直观地理解压敏电阻的功能和大多数电性能参数的实际意义,及其它们的在应用中作用。下面,我们具体介绍压敏电阻的电性能参数。图 1-2-3 不同温度下的伏安特性01.2.1 压敏电压 UNvaristor voltage和直流参考电流 I从压敏电阻的典型伏安特性曲线图 1-2-1我们可以明显地看出:压敏电阻在其 V/I 特性曲线的预击穿区内有一个拐点,这个拐点对应着一个特定的拐点电压和一个特定的拐点电流;当外加电压高于这个拐点电压,压敏
11、电阻就进入“导通”状态电阻值变小;当外加电压低于这个拐点电压,压敏电阻就进入了“截止”状态电阻值变大。压敏电阻的最重要的特性就是电阻值随外加电压敏感变化,V/I 特性曲线中的拐点电压最能反响压敏电阻的这一重要特性,因此我们可以将拐点电压理解为压敏电阻的压敏电压 UN导通和截止两种状态之间的临界电压。0由于压敏电阻是一种内部不完全均匀的陶瓷元件,即使是同一规格的压敏电阻,每只元件的拐点电流都不尽一样。为了标准化的需要,国际电工委员会IEC人为规定了两个测量压敏电阻拐点的直流参考电流 I 1mA 和 0.1mA1mA 用于瓷片直径 7mm 及其以上的压敏电阻器,0.1mA 用于瓷片直径5mm 及其
12、以下的压敏电阻器目前欧美国家已有只规定1mA为唯一的直流参考电流的进展趋势,但日本、中国大陆和中国台湾照旧普遍保持使用两种直流参考电流的方法。.内容齐全.学习、共享、下载N由于拐点电流已被人为地规定了下来,因此压敏电压 U一般用更直观的符号U1mA 或U0.1mA 表示,就更加便利,目前几乎全部的压敏电阻生产商都使用U1mA或 U0.1mA来表示压敏电压。从上面对压敏电压的定义上看,“压敏电压”一词已完全失去了其原有的拐点的含义。这是电子测量学和标准化与压敏电压的真实含义之间相互妥协的结果。多年的实践阅历表 明:IEC 定义的压敏电压与实际拐点电压虽然在数值上不相等,但在大多数状况下也比较相近
13、,IEC 定义的压敏电压可视为拐点电压的近似值。在判定产品的压敏电压是否合格时,我们只能使用 IEC 的规定的方法,而不能使用测量实际拐点电压的方法如晶体管图示仪测量法。通用压敏电阻器的瓷片直径有 5mm、7mm、10mm、14mm 和 20mm 五种,依据瓷片的截面积可知:IEC 规定的压敏电压所对应的电流密度 J 在 103A/cm2 的数量级上,因此处于压敏电阻器 V/I 特性曲线的击穿区。压敏电压还有不同的称谓,如规定电流下的电压IEC 的标准名词、breakdown voltage国际学术界的说法、击穿电压中国大陆学术界对 breakdown voltage 的中译,崩溃电压台湾学术
14、界对 breakdown voltage 的中译、阈值电压世界物理学界的说法、直流参.word 文档专业资料、仅供参考考电压、导通电压等等。1.2.2 最大连续工作电压MCOVmaximum continuous operating voltage由于压敏电阻具有正反向对称的伏安特性,因此它既可以应用于直流电路,也可以用于 沟通电路,最大连续工作电压MCOV 指的是压敏电阻在应用时能长期承受的最大直流电压UDC 或最大沟通电压有效值 URMS。压敏电阻有一个格外特别的特性:长期的静态功率很小, 而瞬间的动态功率很大,如瓷片直径20mm、U1mA 为 200V 的压敏电阻,其长期的静态功率仅有
15、1W,而在操作过电压下的瞬间动态功率却能到达50,000W,在雷击过电压作用下的瞬间动态功率则高达 9,000,000W 以上。由于压敏电阻的静态功率很小,因此施加在压敏电阻两端的长期工作电压确定要小于其压敏电压UN,否则压敏电阻将因不堪重负而烧毁。如压敏电阻用于沟通电路,确定URMS 的原则是:最大连续沟通工作电压的峰值2RMSNU不大于压敏电压 U 的容差10下限值,用公式表达则为:.内容齐全.学习、共享、下载N2U URMS 90% 0.64UN1.2.2如压敏电阻用于直流电路,确定 UDC 的原则是:压敏电阻在 UDC 作用下的功耗与其在URMS 作用下的功耗大体相等或略小与其在URM
16、S 作用下的功耗,以此原则得出的阅历公式为:UDC 1.3URMS或 UDC 0.83U N1.2.3式 1.2.2 和式 1.2.3 是科学工作者通过对压敏电阻长期争论后总结出的阅历公式,其正确性已得到世界范围的公认。认真争论世界各国不同压敏电阻厂家的产品样本可以觉察,有的 厂家给出的 URMS 和 UDC 是完全依据公式计算出来的,而有的厂家给出的 URMS 和 UDC 则与计算值有些出入,笔者认为后者对用户实行了更负责任的态度;依据 IEC 相关标准的规定, 生产厂家应通过标准的试验方法来确定其产品能够实际承受的 URMS 和 UDC,具体规定的方法是在 85的环境温度下,给压敏电阻持续
17、施加URMS 和 UDC 的计算值,经过1000 小时后,假设试品的 UN 的变化不超过10,则压敏电阻的 MCOV 可按计算值向用户承诺,如达不到要求,就必需降额并再经试验验证后向用户提交真实的URMS 和 UDC 值。1.2.3 漏电流 ILleakage current在没有过电压的状况下,压敏电阻处于“截止”状态,因此不参与电路的正常工作;这时用户要求压敏电阻要安静地“休息”,全部参数都不能在规定年限内发生明显的变化,更不能消灭发热、起火现象。但即使在不导通的状况下,压敏电阻两端照旧有确定的工作电压 存在通过上面的介绍,我们已经知道:这个长期施加在压敏电阻上的电压最大也不会超过 规定的
18、 URMS 或 UDC,同时压敏电阻在不导通的状况下也不是绝缘体,因此压敏电阻会在正常工作电压的驱动下产生确定量的泄漏电流简称漏电流。IEC 对漏电流 IL 较为普遍的定义是:环境温度 25时,在压敏电阻上施加其所属规格的最大连续直流工作电压 UDC,流过压敏电阻的直流电流。有的厂家依据用户的特别需要对个别规格的压敏电阻也规定了沟通漏电流有效值的指标和相应的测量方法。由于沟通漏电流在使用上很不普遍,而且在测量上难度较大,这里不对它特地加以争论,只需要指出一 点:沟通漏电流的大小不仅与沟通电压有效值的大小有关,也和它的频率有关,频率越高,漏电流越大。另外,还有依据具体的压敏电压,按比例加压的测量
19、漏电流的方法,这种方法一般仅用于压敏材料的争论,这里也不做具体介绍。虽然大多数生产厂家都没有在产品说明书中规定漏电流的具体指标,但是它并非无关紧要;阅历说明:压敏电阻出厂时的初始泄漏电流与压敏电阻的寿命特性和安全性都有较为亲热的关系,因此比较内行的用户会提出特别的漏电流要求。一般而言,在材料配方和烧结工 艺固定的状况下,漏电流适中的压敏电阻具有较好的安全性和较长的寿命;漏电流过大通常会造成压敏电阻发热,发热又会引起压敏电压的下降和漏电流的进一步上升参见图 1-2-3, 如此循环往复,最终压敏电阻就会因温度过高而起火燃烧,造成很坏的影响。漏电流过小也不愿定是好现象,有时压敏电阻虽然初始漏电流很小
20、,但使用很短一段时间后漏电流快速增大到担忧全的程度;固然,漏电流随加压时间的变化规律与配方和工艺亲热相关,在大多数状况下,生产厂家通过把握漏电流的最大值就可以取得较好效果。1.2.4 非线性指数 nonlinear coefficient非线性指数 是一个元件的电阻值是否随电压或电流变化和变化是否敏感的标志。前面我们已经提到,在其 V/I 特性曲线的击穿区,压敏电阻非线性电阻器的电流I 和电压 U 之间的关系为: I = (U K )a 1,K 为常数;一般电阻器线性电阻器的电流I 和电压 U 之间的关系为: I = U R R 亦为常数。比较这两个表达式可知:一般电阻器线性电阻器就是 取值为
21、 1 时的压敏电阻器,因此公式I = (U K )a1,K 为常数可视为线性电阻和非线性电阻的 V/I 关系的通用表达式。1 时为线性电阻,即电阻值不随电压变化; 1 时为非线性电阻即广义的压敏电阻,即电阻值随电压变化电压上升则电阻值下降, 越大,电阻值随电压的变化就越明显,或曰电阻值对电压越敏感。将公式 I = (U K )a 两边取对数开放可得:lgU = (1 a )lg I + lg K1.2.4因此,非线性指数 的几何意义为,以双对数坐标法绘制的V/I 特性曲线的斜率的倒数。我们已经知道,压敏电阻的 V/I 特性双对数曲线并不是一条直线,击穿区的特性接近于直线, 但也不是严格意义上的
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