防雷元器件特性与应用1概要.doc

防雷元器件特性与应用一、防雷元器件产品分类：按作用机理：开关元件类、限压元件类和温度敏感元件类按保护原理：过压保护类（开关元件和限压元件）和过流保护类（温度敏感元件）1、开关元件类：开关元件类，顾名思义，相当于一个开关，平时开关是断开的，不影响电路的正常工作，当雷击浪涌高电压到来的时候，开关就接通，将浪涌电流泄放到大地，或者阻挡进入被保护设备的浪涌电流，从而使被保护设备免受浪涌高电压击穿损坏开关元件类主要有：陶瓷气体放电管、玻璃放电管（强效放电管，浪涌吸收器）和半导体过压保护器（半导体放电管或固体放电管）三种类型优点：①击穿（导通）前相当于开路，电阻很大，没有漏电流或漏电流很小；②击穿（导通）后相当于短路，可通过很大的电流，压降很小；③脉冲通流容量（峰值电流）大：陶瓷气体放电管的8/20μs波峰值电流常用的有5kA、10kA、20kA等几种（还有更大的，达100kA以上），10/1000μs波峰值电流在几十至几百A之间；玻璃放电管的8/20μs波峰值电流现有500A、1kA、3kA三种；半导体过压保护器的10/1000μs波峰值电流在几十至一百A之间④具有双向对称特性（个别半导体过压保护器除外）。

⑤陶瓷气体放电管和玻璃放电管的电容都很小，都在3pF以下⑥玻璃放电管和半导体过压保护器的响应速度都很快，在ns量级缺点：陶瓷气体放电管：①由于气体电离需要较长的时间，所以响应速度较慢，反应时间一般为0.2～0.3μs(200～300ns)，最快也有0.1μs(100ns)左右在它未导通前，会有一个幅度较大的尖脉冲漏过去，而起不到保护作用②击穿电压一致性较差，分散性较大，一般为±20%三种开关元件的性能比较表：参数项目 元件类别陶瓷放电管玻璃放电管半导体过压保护器绝缘电阻 / 漏电流≥109～1010Ω≥108Ω≤5～10μA击穿后的电压几十V～一百多V几十V一般是5V左右冲击放电电流8/20μs波几kA～上百kA0.5、1、3 kA10/1000μs波几十A～几百A几十A～一百A响应速度（时间）较慢：≥100ns快：ns级静态电容很小：≤3pF极小：≤0.8pF较大：几十pF～几百pF击穿电压（离散值）分散性大，一般±20%一致性好双向对称性是是大多是老化特性会老化不易老化，寿命长封装形式圆柱形（无引线或轴向引线）圆柱形（轴向引线或无引线）贴片型贴片型、直插型、轴向引线型玻璃放电管和半导体过压保护器：①通流容量较陶瓷气体放电管小得多。

②玻璃放电管击穿电压分散性较大，为±20%，少数±30%③半导体过压保护器电容较大，有几十至几百pF2、限压（箝压）元件类压敏电阻、TVS管（瞬态电压抑制二极管）他们的共同特点是：①像稳压二极管那样具有稳压（限压）特性当外加电压小于其导通电压时，它具有很大的内阻，漏电流很小；当外加电压大于其导通电压时，其内阻急剧减小，可以流过很大的电流，而其两端的电压只有少量上升②它们都有系列的击穿电压值和多种不同通流量（或功率）的产品，适于用在各种要求不同的电路中③两者的电容都较大（TVS管也有低电容产品），不宜直接用在高频电路中压敏电阻与TVS管的差别在于：①压敏电阻能承受更大的浪涌电流，而且其体积越大所能承受的浪涌电流越大，最大可达几十kA到上百kA（8/20μs波）；TVS管能承受的浪涌电流较小②TVS管非线性特性较好（动态电阻较小），不易老化，低电压的漏电流较大；压敏电阻的非线性特性较差（动态电阻较大），大电流时限制电压（箝位电压）较高，较易老化③反应速度不同，TVS管的反应速度特别快，为ps级，而压敏电阻的反应速度稍微慢一点，为ns级两种限压元件的性能比较表：参数项目 元件类别压敏电阻TVS管脉冲峰值电流8/20μs波几A～上百kA10/1000μs波0.52A～606A压敏电压/击穿电压几V～几千V（±10%）6.8V～550V（±5%）响应速度快（ns级）特别快（ps级）电容较大：几pF～几百nF较大：十几pF～几百nF限压特性稍差（动态电阻较大）好（动态电阻较小）老化特性较易老化不易老化，寿命长封装形式圆片、方片、模块、贴片贴片、同轴引线3、过流保护元件这类器件主要有自恢复保险丝（正温度系数热敏电阻）。

实际上不是防雷元件，而是配合防雷元件使用的自恢复保险丝是一种聚合物正温度系数热敏电阻，作过流保护用，可以用来代替电流保险丝当流过它的电流小于其保持电流时（温度较低），它的阻值很小；当流过它的电流超过其触发电流时，其内部温度升高，阻值急剧增大，从而阻断大电流的继续流通或者电源/信号电路的续流但由于热惰性，反应速度很慢，一般为秒级（流过的电流越大或环境温度越高，反应速度越快）二、主要应用领域开关元件主要应用于共模保护，将雷电流泄放到大地；也常在无源电路中用作差模保护，防止雷电流窜入被保护设备限压元件主要应用于差模保护，以限制浪涌电压，防止过高的浪涌电压损坏被保护设备；也常用在共模电路中与开关元件串联，防止开关元件导通后造成电源短路引起火灾，或者作为开关元件的限流元件，以便在浪涌冲击过后阻断续流，使开关元件复位为断开状态具体来说，压敏电阻主要用于交流和直流电源系统的防雷保护，也可用于直流或低频信号/控制电路的防雷保护放电管类开关元件主要用于各种电源电路和信号电路（包括射频信号和高速网络信号线路）作共模保护TVS管、玻璃放电管和半导体过压保护器主要用于信号/控制电路、小功率电源电路和防静电保护电路中，TVS管和半导体过压保护器因通流能力较小，一般只能用在浪涌电流较小的地方，或作为信号/控制电路的第二级保护。

自恢复保险丝一般串联在需要过流保护的电路之前作限流元件用，或用在两级保护电路之间作为隔离元件用，也可和普通电流保险丝一样串联在电源线路上使用三、各种防雷元器件的特性与使用（一）压敏电阻1、概述：压敏电阻（Varistor）是一种用量最多、最早使用的限压型防护器件现在大量使用的是氧化锌（ZnO）压敏电阻，属于半导体电阻器的一种由于它的电压系列齐全（几V～几千V），通流量大小兼备（从几A到几十kA，甚至上百kA），价格低廉，常用在各种交直流电源电路和低频信号/控制电路中作浪涌防护它的封装形式主要有圆片形和方片形两大类，也有贴片形、大电流模块和高电压模块等圆片形的基体直径有Ф5、Ф7、Ф10、Ф14、Ф20、Ф25、Ф32、Ф40、Ф53mm等（加上包封料的成品直径要大一些），对应D05、D07、D10、D14、D20、D25、D32、D40、D53几个系列，方片形的主要是34×34 mm（S34系列）的2、特性：顾名思义，压敏电阻是一种“电阻值对电压敏感”的电阻器随着加在它上面的电压不断增大，它的电阻值可以从MΩ（兆欧）级变到mΩ（毫欧）级其典型伏安特性（全对数坐标）如下图所示：20001000 500200100i（A）u（V）饱和区非线性区漏电流区10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 由图可见，当电压较低时，压敏电阻工作于漏电流区，呈现很大的电阻，漏电流很小；当电压升高进入非线性区后，电流在相当大的范围内变化时，电压变化不大，呈现较好的限压特性；电压再升高，压敏电阻进入饱和区，呈现一个很小的线性电阻，由于电流很大，很快就会使压敏电阻过热烧毁甚至炸裂。

正常使用时压敏电阻处于漏电流区，受到浪涌冲击时进入非线性区泄放浪涌电流，一般不能进入饱和区1）压敏电阻的主要特性参数：①压敏电压UN（U1mA）：通常以在压敏电阻上通过1mA直流电流时的电压来表示其是否导通的标志电压，这个电压就称为压敏电压UN压敏电压也常用符号U1mA表示压敏电压的误差范围一般是±10%在试验和实际使用中，通常把压敏电压从正常值下降10%作为压敏电阻失效的判据②最大持续工作电压UC：指压敏电阻能长期承受的最大交流电压(有效值)Uac或最大直流电压Udc一般Uac≈0.64U1mA，Udc≈0.83U1mA③通流量（最大冲击电流）IP：指压敏电阻能够承受的8/20μs波的最大冲击电流峰值能够承受”的含义是，冲击后压敏电压的变化率不大于10%现行的技术规格书中通常都给出了冲击1次的IP值（见下表）电阻体尺寸mmФ5Ф7Ф10Ф14Ф20Ф25Ф32Ф40Ф53S34IP（kA）UN≤68V标准0.10.250.512—————高焦耳0.250.5123—————UN≥82V标准0.41.22.54.56.52025407040高焦耳0.81.753.5610—————④最大箝位电压（限制电压）VC：技术规格书中给出的最大箝位电压值是指给压敏电阻施加规定的8/20μs波冲击电流IX（A）时（见下表），压敏电阻上呈现的电压。

电阻体尺寸mmФ5Ф7Ф10Ф14Ф20Ф25Ф32Ф40Ф53S34IX(A)UN≤68V12.55102530406010060UN≥82V5102550100150200300500300实际使用中，压敏电压越高，施加的冲击电流越大，限制电压（或称残压）就越高，可从产品给出的V-I曲线上查到⑤额定能量E：额定能量是指压敏电阻能够承受规定波形的冲击电流冲击一次的最大能量（冲击后压敏电压的变化率不大于10%），可用下式表示： E=K·IP·VC·T式中：IP、VC见上，T为脉冲宽度，K为与波形有关的常数对于8/20μs波和10/1000μs波，K=1.4；对于2ms方波，K=1⑥额定功率（最大平均功率）Pm：指压敏电阻在室温下，连续承受多次冲击，且各次冲击之间间隔时间较短，因而有热积累效应的情况下，能够承受的最大平均功率各系列压敏电阻的额定功率见下表电阻体尺寸mmФ5Ф7Ф10Ф14Ф20Ф25Ф32Ф40Ф53S34Pm(W)UN≤68V0.010.020.050.10.2—————UN≥82V0.10.250.40.61.01.21.62.53.02.5从表中数据看出，尽管压敏电阻能承受很大的脉冲功率，但能承受的平均功率却很小。

⑦电容C0：指压敏电阻两电极间呈现的电容，在几pF～几百nF的范围内体积越小，压敏电压越高，电容越小⑧漏电流Il：给压敏电阻施加最大直流电压Udc时流过的电流测量漏电流时，通常给压敏电阻加上Udc=0.83U1mA的电压（有时也用0.75U1mA）一般要求静态漏电流Il≤20μA（也有要求≤10μA的）在实际使用中，更关心的不是静态漏电流值本身的大小，而是它的稳定性，即在冲击试验后或在高温条件下的变化率在冲击试验后或在高温条件下其。