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氧化锌压敏电阻器的原理应用

2011年02月26日 11:41 电子发烧友网 作者:本站 用户评论(0

  压敏电阻是中国大陆的名词,意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变",或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。相应的英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”。

  压敏电阻器的电阻体材料是半导体,所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素(Zn)和六价元素氧(O)所构成。所以从材料的角度来看,氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。

  在中国台湾,压敏电阻器是按其用途来命名的,称为"突波吸收器"。压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击(浪涌)抑制器(吸收器)”。

  

电子制作网-电路图

 

  

电子制作网-电路图

 

  一、氧化锌压敏电阻器微观结构及特性

  氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。它的微观结构如图1所示。氧化锌陶瓷是由氧化锌晶粒及晶界物质组成的,其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体,晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态,这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒,整个陶瓷就是由许多背靠背肖特基垫垒串并联的组合体。图2是压敏电阻器的等效电路。

  氧化锌压敏电阻器的典型V-I特性曲线如图3所示:


 

  预击穿区:在此区域内,施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压,其导电属于热激发电子电导机理。因此,压敏电阻器相当于一个10MΩ以上的绝缘电阻 (Rb远大于Rg),这时通过压敏电阻器的阻性电流仅为微安级,可看作为开路。该区域是电路正常运行时压敏电阻器所处的状态。

  击穿区:压敏电阻器两端施加一大于压敏电压的过电压时,其导电属于隧道击穿电子电导机理(Rb与Rg相当),其伏安特性呈优异的非线性电导特性,即:

  I=CVα

  其中 I通过压敏电阻器的电流 C与配方和工艺有关的常数

  V压敏电阻器两端的电压 α为非线性系数,一般大于30

  由上式可见,在击穿区,压敏电阻器端电压的微小变化就可引起电流的急剧变化,压敏电阻器正是用这一特性来抑制过电压幅值和吸收或对地释放过电压引起的浪涌能量。

  上升区:当过电压很大,使得通过压敏电阻器的电流大于约100A/cm2时,压敏电阻器的伏安特性主要由晶粒电阻的伏安特性来决定。此时压敏电阻器的伏安特性呈线性电导特性,即:

  I=V/Rg

  上升区电流与电压几乎呈线性关系,压敏电阻器在该区域已经劣化,失去了其抑制过电压、吸收或释放浪涌的能量等特性。

  根据压敏电阻器的导电机理,其对过电压的响应速度很快,如带引线式和专用电极产品,一般响应时间小于25纳秒。因此只要选择和使用得当,压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压有优良的抑制作用,从而达到保护电路中其它元件免遭过电压破坏的目的。

  二、特点

  (1) 通流容量大

  (2) 限制电压低

  (3) 响应速度快

  (4) 无续流

  (5) 对称的伏安特性(即产品无极性)

  (6) 电压温度系数低

  三、氧化锌压敏电阻器应用及注意事项

  1、氧化锌压敏电阻器应用原理

  压敏电阻器与被保护的电器设备或元器件并联使用。当电路中出现雷电过电压或瞬态操作过电压Vs时,压敏电阻器和被保护的设备及元器件同时承受Vs,由于压敏电阻器响应速度很快,它以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性(见图3中击穿区),此时压敏电阻器两端电压迅速下降,远远小于Vs,这样被保护的设备及元器件上实际承受的电压就远低于过电压Vs,从而使设备及元器件免遭过电压的冲击。

  2、氧化锌压敏电阻器的参数选择

  根据被保护电源电压选择压敏电阻器的规定电流下的电压V1mA。一般选择原则为:

  对于直流回路:V1mA≥2.0VDC

  对于交流回路:V1mA≥2.2V有效值

  如果电器设备耐压水平Vo较低,而浪涌能量又比较大,则可选择压敏电压V1mA较低、片径较大的压敏电阻器;如果Vo较高,则可选择压敏电压V1mA较高的压敏电阻器,这样既可以保护电器设备,又能延长压敏电阻使用寿命。

  

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