防雷元器件特性與應(yīng)用1

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一、防雷元器件產(chǎn)品分類：

按作用機(jī)理：開關(guān)元件類、限壓元件類和溫度敏感元件類

按保護(hù)原理：過壓保護(hù)類（開關(guān)元件和限壓元件）和過流保護(hù)類（溫度敏感元件）

1、開關(guān)元件類：

開關(guān)元件類，顧名思義，相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，平日開關(guān)是斷開的，不影響電路的正常工作，當(dāng)雷擊浪涌高電壓到來的時(shí)候，開關(guān)就接通，將浪涌電流泄放到大地，或者阻擋進(jìn)入被保護(hù)設(shè)備的浪涌電流，從而使被保護(hù)設(shè)備免受浪涌高電壓擊穿損壞。

開關(guān)元件類主要有：陶瓷氣體放電管、玻璃放電管（強(qiáng)效放電管，浪涌吸收器）和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器（半導(dǎo)體放電管或固體放電管）三種類型。

優(yōu)點(diǎn)：①擊穿（導(dǎo)通）前相當(dāng)于開路，電阻很大，沒有漏電流或漏電流很?。?/p>

②擊穿（導(dǎo)通）后相當(dāng)于短路，可通過很大的電流，壓降很?。虎勖}沖通流容量（峰值電流）大：

陶瓷氣體放電管的8/20μs波峰值電流常用的有5kA、10kA、20kA等幾種（還有更大的，達(dá)100kA以上），10/1000μs波峰值電流在幾十至幾百A之間；

玻璃放電管的8/20μs波峰值電流現(xiàn)有500A、1kA、3kA三種；半導(dǎo)體過壓保護(hù)器的10/1000μs波峰值電流在幾十至一百A之間。④具有雙向?qū)ΨQ特性（個(gè)別半導(dǎo)體過壓保護(hù)器除外）。

⑤陶瓷氣體放電管和玻璃放電管的電容都很小，都在3pF以下。⑥玻璃放電管和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器的響應(yīng)速度都很快，在ns量級(jí)。缺點(diǎn)：陶瓷氣體放電管：

①由于氣體電離需要較長的時(shí)間，所以響應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時(shí)間一般為0.2～

0.3μs(200～300ns)，最快也有0.1μs(100ns)左右。在它未導(dǎo)通前，會(huì)有一個(gè)幅度較大的尖脈沖漏過去，而起不到保護(hù)作用。

②擊穿電壓一致性較差，分散性較大，一般為±20%。三種開關(guān)元件的性能比較表：參數(shù)項(xiàng)目元件類別陶瓷放電管絕緣電阻/漏電流擊穿后的電壓沖擊放8/20μs波響應(yīng)速度（時(shí)間）≥109～1010Ω幾kA～上百kA較慢：≥100ns很?。骸?pF是會(huì)老化軸向引線）圓柱形（無引線或圓柱形（軸向玻璃放電管≥108Ω0.5、1、3kA快：ns級(jí)微小：≤0.8pF較大：幾十pF～幾百pF一致性好大多是不易老化，壽命長貼片型、直插型、引線或無引線）軸向引線型半導(dǎo)體過壓保護(hù)器≤5～10μA一般是5V左右?guī)资瓵～一百A幾十V～一百多V幾十V電電流10/1000μs波幾十A～幾百A靜態(tài)電容擊穿電壓（離散值）雙向?qū)ΨQ性老化特性封裝形式分散性大，一般±20%玻璃放電管和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器：

①通流容量較陶瓷氣體放電管小得多。②玻璃放電管擊穿電壓分散性較大，為±20%，少數(shù)±30%。③半導(dǎo)體過壓保護(hù)器電容較大，有幾十至幾百pF。

2、限壓（箝壓）元件類

壓敏電阻、TVS管（瞬態(tài)電壓抑制二極管）。他們的共同特點(diǎn)是：

①像穩(wěn)壓二極管那樣具有穩(wěn)壓（限壓）特性。當(dāng)外加電壓小于其導(dǎo)通電壓時(shí)，它具有很大的內(nèi)阻，漏電流很??；當(dāng)外加電壓大于其導(dǎo)通電壓時(shí)，其內(nèi)阻急劇減小，可以流過很大的電流，而其兩端的電壓只有少量上升。

②它們都有系列的擊穿電壓值和多種不同通流量（或功率）的產(chǎn)品，適于用在各種要求不同的電路中。

③兩者的電容都較大（TVS管也有低電容產(chǎn)品），不宜直接用在高頻電路中。壓敏電阻與TVS管的區(qū)別在于：

①壓敏電阻能承受更大的浪涌電流，而且其體積越大所能承受的浪涌電流越大，最大可達(dá)幾十kA到上百kA（8/20μs波）；TVS管能承受的浪涌電流較小。

②TVS管非線性特性較好（動(dòng)態(tài)電阻較?。灰桌匣?，低電壓的漏電流較大；壓敏電阻的非線性特性較差（動(dòng)態(tài)電阻較大），大電流時(shí)限制電壓（箝位電壓）較高，較易老化。

③反應(yīng)速度不同，TVS管的反應(yīng)速度特別快，為ps級(jí)，而壓敏電阻的反應(yīng)速度稍微慢一點(diǎn)，為ns級(jí)。

兩種限壓元件的性能比較表：參數(shù)項(xiàng)目元件類別壓敏電阻脈沖峰值電流響應(yīng)速度電容限壓特性老化特性封裝形式8/20μs波10/1000μs波幾A～上百kA幾V～幾千V（±10%）快（ns級(jí)）較大：幾pF～幾百nF稍差（動(dòng)態(tài)電阻較大）較易老化圓片、方片、模塊、貼片TVS管0.52A～606A6.8V～550V（±5%）特別快（ps級(jí)）較大：十幾pF～幾百nF好（動(dòng)態(tài)電阻較小）不易老化，壽命長貼片、同軸引線壓敏電壓/擊穿電壓3、過流保護(hù)元件

這類器件主要有自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（正溫度系數(shù)熱敏電阻）。實(shí)際上不是防雷元件，而

是協(xié)同防雷元件使用的。

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是一種聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻，作過流保護(hù)用，可以用來代替電流保險(xiǎn)絲。當(dāng)流過它的電流小于其保持電流時(shí)（溫度較低），它的阻值很??；當(dāng)流過它的電流超過其觸發(fā)電流時(shí)，其內(nèi)部溫度升高，阻值急劇增大，從而阻斷大電流的繼續(xù)流通或者電源/信號(hào)電路的續(xù)流。但由于熱惰性，反應(yīng)速度很慢，一般為秒級(jí)（流過的電流越大或環(huán)境溫度越高，反應(yīng)速度越快）。

二、主要應(yīng)用領(lǐng)域

開關(guān)元件主要應(yīng)用于共模保護(hù)，將雷電流泄放到大地；也常在無源電路中用作差模保護(hù)，防止雷電流竄入被保護(hù)設(shè)備。限壓元件主要應(yīng)用于差模保護(hù)，以限制浪涌電壓，防止過高的浪涌電壓損壞被保護(hù)設(shè)備；也常用在共模電路中與開關(guān)元件串聯(lián)，防止開關(guān)元件導(dǎo)通后造成電源短路引起火災(zāi)，或者作為開關(guān)元件的限流元件，以便在浪涌沖擊過后阻斷續(xù)流，使開關(guān)元件復(fù)位為斷開狀態(tài)。

具體來說，壓敏電阻主要用于交流和直流電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)，也可用于直流或低頻信號(hào)/控制電路的防雷保護(hù)。放電管類開關(guān)元件主要用于各種電源電路和信號(hào)電路（包括射頻信號(hào)和高速網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線路）作共模保護(hù)。TVS管、玻璃放電管和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器主要用于信號(hào)/控制電路、小功率電源電路和防靜電保護(hù)電路中，TVS管和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器因通流能力較小，一般只能用在浪涌電流較小的地方，或作為信號(hào)/控制電路的其次級(jí)保護(hù)。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲一般串聯(lián)在需要過流保護(hù)的電路之前作限流元件用，或用在兩級(jí)保護(hù)電路之間作為隔離元件用，也可和普通電流保險(xiǎn)絲一樣串聯(lián)在電源線路上使用。

三、各種防雷元器件的特性與使用（一）壓敏電阻1、概述：

壓敏電阻（Varistor）是一種用量最多、最早使用的限壓型防護(hù)器件?，F(xiàn)在大量使用的是氧化鋅（ZnO）壓敏電阻，屬于半導(dǎo)體電阻器的一種。由于它的電壓系列齊全（幾V～幾千V），通流量大小兼?zhèn)洌◤膸譇到幾十kA，甚至上百kA），價(jià)格低廉，常用在各種交直流電源電路和低頻信號(hào)/控制電路中作浪涌防護(hù)。它的封裝形式主要有圓片形和方片形兩大類，也有貼片形、大電流模塊和高電壓模塊等。圓片形的基體直徑有Ф5、Ф7、Ф10、Ф14、Ф20、Ф25、Ф32、Ф40、Ф53mm等（加上包封料的成品直徑要大一些），對(duì)應(yīng)D05、D07、D10、D14、D20、D25、D32、D40、D53幾個(gè)系列，方片形的主要是34×34mm（S34系列）的。

2、特性：

顧名思義，壓敏電阻是一種“電阻值對(duì)電壓敏感〞的電阻器。隨著加在它上面的電壓不斷增大，它的電阻值可以從MΩ（兆歐）級(jí)變到mΩ（毫歐）級(jí)。其典型伏安特性（全對(duì)數(shù)坐標(biāo)）如下圖所示：u漏飽和區(qū)非線性區(qū)（V）電2000流1000區(qū)500200i100（A）10-410-310-210-1100101102103104

由圖可見，當(dāng)電壓較低時(shí)，壓敏電阻工作于漏電流區(qū)，浮現(xiàn)很大的電阻，漏電流很??；當(dāng)電壓升高進(jìn)入非線性區(qū)后，電流在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓變化不大，浮現(xiàn)較好

的限壓特性；電壓再升高，壓敏電阻進(jìn)入飽和區(qū)，浮現(xiàn)一個(gè)很小的線性電阻，由于電流很大，很快就會(huì)使壓敏電阻過熱燒毀甚至炸裂。正常使用時(shí)壓敏電阻處于漏電流區(qū)，受到浪涌沖擊時(shí)進(jìn)入非線性區(qū)泄放浪涌電流，一般不能進(jìn)入飽和區(qū)。

（1）壓敏電阻的主要特性參數(shù)：①壓敏電壓UN（U1mA）：尋常以在壓敏電阻上通過1mA直流電流時(shí)的電壓來表示其是否導(dǎo)通的標(biāo)志電壓，這個(gè)電壓就稱為壓敏電壓UN。壓敏電壓也常用符號(hào)U1mA表示。壓敏電壓的誤差范圍一般是±10%。在試驗(yàn)和實(shí)際使用中，尋常把壓敏電壓從正常值下降10%作為壓敏電阻失效的判據(jù)。

②最大持續(xù)工作電壓UC：指壓敏電阻能長期承受的最大交流電壓(有效值)Uac或最大直流電壓Udc。一般Uac≈0.64U1mA，Udc≈0.83U1mA。

③通流量（最大沖擊電流）IP：指壓敏電阻能夠承受的8/20μs波的最大沖擊電流峰值?！澳軌虺惺塄暤暮x是，沖擊后壓敏電壓的變化率不大于10%?，F(xiàn)行的技術(shù)規(guī)格書中尋常都給出了沖擊1次的IP值（見下表）。電阻體尺寸mmФ5Ф70.250.51.21.75Ф100.512.53.5Ф14124.56Ф20236.510Ф25——20—Ф32——25—Ф40——40—Ф53——70—S34——40—UN≤標(biāo)準(zhǔn)0.168V高焦耳0.25IP（kA）UN≥標(biāo)準(zhǔn)0.482V高焦耳0.8④最大箝位電壓（限制電壓）VC：技術(shù)規(guī)格書中給出的最大箝位電壓值是指給壓敏電阻施加規(guī)定的8/20μs波沖擊電流IX（A）時(shí)（見下表），壓敏電阻上浮現(xiàn)的電壓。電阻體尺寸mmIX(A)UN≤68VUN≥82VФ515Ф72.510Ф10525Ф141050Ф2025100Ф2530150Ф3240200Ф4060300Ф53100500S3460300實(shí)際使用中，壓敏電壓越高，施加的沖擊電流越大，限制電壓（或稱殘壓）就越高，可從產(chǎn)品給出的V-I曲線上查到。

⑤額定能量E：額定能量是指壓敏電阻能夠承受規(guī)定波形的沖擊電流沖擊一次的最大能量（沖擊后壓敏電壓的變化率不大于10%），可用下式表示：E=K·IP·VC·T式中：IP、VC見上，T為脈沖寬度，K為與波形有關(guān)的常數(shù)。對(duì)于8/20μs波和10/1000μs波，K=1.4；對(duì)于2ms方波，K=1。

⑥額定功率（最大平均功率）Pm：指壓敏電阻在室溫下，連續(xù)承受屢屢沖擊，且各次沖擊之間間隔時(shí)間較短，因而有熱積累效應(yīng)的狀況下，能夠承受的最大平均功率。各系列壓敏電阻的額定功率見下表。電阻體尺寸mmPm(W)UN≤68VUN≥82VФ50.010.1Ф70.020.25Ф100.050.4Ф140.10.6Ф200.21.0Ф25—1.2Ф32—1.6Ф40—2.5Ф53—3.0S34—2.5從表中數(shù)據(jù)看出，盡管壓敏電阻能承受很大的脈沖功率，但能承受的平均功率卻很小。⑦電容C0：指壓敏電阻兩電極間浮現(xiàn)的電容，在幾pF～幾百nF的范圍內(nèi)。體積越小，壓敏電壓越高，電容越小。

⑧漏電流Il：給壓敏電阻施加最大直流電壓Udc時(shí)流過的電流。測量漏電流時(shí)，尋常給壓敏電阻加上Udc=0.83U1mA的電壓（有時(shí)也用0.75U1mA）。一般要求靜態(tài)漏電流Il≤20μA（也有要求≤10μA的）。在實(shí)際使用中，更關(guān)心的不是靜態(tài)漏電流值本身的大小，而是它的穩(wěn)定性，即在沖擊試驗(yàn)后或在高溫條件下的變化率。在沖擊試驗(yàn)后或在高溫條件下其變化率不超過一倍，即認(rèn)為是穩(wěn)定的。

⑨非線性指數(shù)α：指電壓的變化對(duì)電流的影響能力，可用公式表示為：I=KUα（K為常數(shù)）

或

I2U2α=loglogI1U1

由前式可見，α越大說明電壓的變化對(duì)電流的影響能力越大，非線性特性越好。由后式可見，α是伏安特性上各點(diǎn)斜率的倒數(shù)（即動(dòng)態(tài)電阻的倒數(shù)），特性越平坦的地方，α越大（漏電流區(qū)和飽和區(qū)α=1）。用儀器測量時(shí)，一般設(shè)定I2=1mA，I1=0.1mA，所以

αT=1/log(U1mA/U0.1mA)（2）壓敏電阻的降額特性：

對(duì)壓敏電阻進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，隨著所要進(jìn)行的沖擊次數(shù)的增加，每次所施加的沖擊電流要相應(yīng)地減小。例如：Ф20基片的標(biāo)準(zhǔn)壓敏電阻（U1mA≥82V的），其降額特性如下表所示（可從廠家給出的浪涌壽命次數(shù)定額曲線中查到）：允許沖擊次數(shù)1次2次10次100次1000次10000次每次沖擊電流6500A4000A2000A1000A430A200A3、使用指導(dǎo)：

①壓敏電壓的選擇：

一般可用下式選擇：U1mA=K·Uac

式中：K為與電源質(zhì)量有關(guān)的系數(shù)，一般取K=（2～3）,電源質(zhì)量較好的城市可取小些，電源質(zhì)量較差的農(nóng)村（特別是山區(qū)）可取大些。Uac為交流電源電壓有效值。對(duì)于220V～240V交流電源防雷器，應(yīng)選