防雷元器件特性与应用1概要.docx
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防雷元器件特性与应用1概要
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kA
0.5、1、3kA
10/1000μs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pF。
2、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kA
10/1000μs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34×34mm（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：
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≈0.83U1mA。
③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mm
Ф5
Ф7
Ф10
Ф14
Ф20
Ф25
Ф32
Ф40
Ф53
S34
IP
（kA）
UN≤
68V
标准
0.1
0.25
0.5
1
2
—
—
—
—
—
高焦耳
0.25
0.5
1
2
3
—
—
—
—
—
UN≥
82V
标准
0.4
1.2
2.5
4.5
6.5
20
25
40
70
40
高焦耳
0.8
1.75
3.5
6
10
—
—
—
—
—
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mm
Ф5
Ф7
Ф10
Ф14
Ф20
Ф25
Ф32
Ф40
Ф53
S34
IX
（A）
UN≤68V
1
2.5
5
10
25
30
40
60
100
60
UN≥82V
5
10
25
50
100
150
200
300
500
300
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=1。
⑥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mm
Ф5
Ф7
Ф10
Ф14
Ф20
Ф25
Ф32
Ф40
Ф53
S34
Pm
（W）
UN≤68V
0.01
0.02
0.05
0.1
0.2
—
—
—
—
—
UN≥82V
0.1
0.25
0.4
0.6
1.0
1.2
1.6
2.5
3.0
2.5
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变化率不超过一倍，即认为是稳定的。
⑨非线性指数α：
指电压的变化对电流的影响能力，可用公式表示为：
I=KUα（K为常数）
或
α=loglog
由前式可见，α越大表明电压的变化对电流的影响能力越大，非线性特性越好。
由后式可见，α是伏安特性上各点斜率的倒数（即动态电阻的倒数），特性越平坦的地方，α越大（漏电流区和饱和区α=1）。
用仪器测量时，一般设定I2=1mA，I1=0.1mA，所以
αT=1/log（U1mA/U0.1mA）
（2）压敏电阻的降额特性：
对压敏电阻进行冲击试验时，随着所要进行的冲击次数的增加，每次所施加的冲击电流要相应地减小。
例如：
Ф20基片的标准压敏电阻（U1mA≥82V的），其降额特性如下表所示（可从厂家给出的浪涌寿命次数定额曲线中查到）：
允许冲击次数
1次
2次
10次
100次
1000次
10000次
每次冲击电流
6500A
4000A
2000A
1000A
430A
200A
3、使用指导：
①压敏电压的选择：
一般可用下式选择：
U1mA=K·Uac
式中：
K为与电源质量有关的系数，一般取K=（2～3）,电源质量较好的城市可取小些，电源质量较差的农村（特别是山区）可取大些。
Uac为交流电源电压有效值。
对于220V～240V交流电源防雷器，应选用压敏电压为470V～620V的压敏电阻较合适。
对于110V～120V交流电源防雷器，应选用压敏电压为220V～330V的压敏电阻较合适。
选用压敏电压高一点的压敏电阻，可以降低故障率，延长使用寿命，但残压略有增大。
②标称放电电流的选择：
压敏电阻的标称放电电流应大于要求承受的浪涌电流或每年可能出现的最大浪涌电流。
标称放电电流应按压敏电阻浪涌寿命次数定额曲线中冲击10次以上的数值进行计算，约为最大冲击通流量的30%（即0.3IP）左右。
③压敏电阻的并联：
当一个压敏电阻满足不了标称放电电流的要求时，应采用多个压敏电阻并联使用。
有时为了降低限制电压，即使标称放电电流满足要求也采用多个压敏电阻并联。
要特别注意的是，压敏电阻并联使用时，一定要严格挑选参数一致的（例如：
ΔU1mA≤3V，Δα≤3）进行配对，以保证电流的均匀分配。
④压敏电阻失效的保护：
压敏电阻的失效模式通常是短路，为了防止压敏电阻的失效造成电源短路而起火，必须设法将失效的压敏电阻从电路中脱离。
（二）陶瓷气体放电管
1、概述：
陶瓷气体放电管（GasTube）是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关器件，无论是交直流电源的防雷还是各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷电流泄放入大地。
其主要特点是：
放电电流大，极间电容小（≤3pF），绝缘电阻高（≥109Ω），击穿电压分散性较大（±20%），反应速度较慢（最快为0.1～0.2μs）。
按电极数分，有二极放电管和三极放电管（相当于两个二极放电管串联）两种。
其外形为圆柱形,有带引线和不带引线两种结构形式（有的还带有过热时短路的保护卡）。
2、特性：
陶瓷气体放电管的主要特性参数有：
①直流击穿电压Vsdc：
在放电管上施加100V/s的直流电压时的击穿电压值。
这是放电管的标称电压，常用的有90V、150V、230V、350V、470V、600V、800V等几种，我们有最高3000V、最低70V的。
其误差范围：
一般为±20%，也有的为±15%。
②脉冲（冲击）击穿电压Vsi：
在放电管上施加1kV/μs的脉冲电压时的击穿电压值。
因反应速度较慢，脉冲击穿电压要比直流击穿电压高得多。
陶瓷气体放电管对低上升速率和高上升速率电压的响应如下图所示。
③冲击放电电流Idi：
常用的是8/20μs波。
冲击放电电流又分为单次冲击放电电流（8/20μs波冲击1次）和标称冲击放电电流（8/20μs波冲击10次），一般后者约为前者的一半左右，有2.5kA、5kA、10kA、20kA……等规格。
④耐交流（工频）电流Idac：
放电管能耐受交流（工频）电流放电1秒钟/次、放电10次的电流额定值。
此外，还有绝缘电阻、极间电容和冲击放电寿命（次数）等。
3、使用指导：
①在快速脉冲冲击下，陶瓷气体放电管气体电离需要一定的时间（一般为0.2～0.3μs，最快的也有0.1μs左右），因而有一个幅度较高的尖脉冲会泄漏到后面去。
②直流击穿电压Vsdc的选择：
直流击穿电压Vsdc应大于可能出现的最高电源峰值电压或最高信号电压的1.5倍以上。
③冲击放电电流的选择：
要根据线路上可能出现的最大浪涌电流或需要防护的最大浪涌电流选择。
放电管冲击放电电流应按标称冲击放电电流（或单次冲击放电电流的一半）来计算。
④陶瓷气体放电管因击穿电压误差较大，一般不作并联使用。
⑤续流问题：
为了使放电管在冲击击穿后能正常熄弧，在有可能出现续流的地方（如有源电路中），可以在放电管上串联压敏电阻或自恢复保险丝等限制续流，使它小于放电管的维持电流。
（三）玻璃放电管
1、概述：
玻璃放电管（强效放电管、防雷管）是20世纪末新推出的防雷器件，它兼有陶瓷气体放电管和半导体过压保护器的优点：
绝缘电阻高（≥108Ω）、极间电容小（≤0.8pF）、放电电流较大（最大达3kA）、双向对称性、反应速度快（内部装有快速电离的芯片）、性能稳定可靠、导通后电压较低，此外还有直流击穿电压高（最高达5000V）、体积小、寿命长等优点。
其缺点是直流击穿电压分散性较大（一般±20%，个别±30%）。
按它的8/20μs波脉冲放电电流IPP的大小分为YP、YS、YA三个系列。
2、特性：
玻璃放电管的特性曲线与半导体过压保护器相似。
主要特性参数是：
①直流击穿电压VS（M档：
±20%误差，N档：
±30%误差）；
②8/20μs波脉冲放电电流IPP（YP系列≥500A，YS系列≥1000A，YA系列≥3000A）；
此外，还有绝缘电阻（测试电压）IR/DC、电容C和浪涌寿命次数。
3、使用指导：
①玻璃放电管既可以用作电源电路的保护，也可以用作信号电路的保护；既可以用作共模保护，也可以用作差模保护。
②直流击穿电压VS的选择：
直流击穿电压VS应大于可能出现的最高电源峰值电压或最高信号电压的1.5倍以上。
③根据线路浪涌电流的大小选择用哪个系列的。
④在有可能出现续流的地方（如电源电路）使用时，必须串联限流电阻或自恢复保险丝，防止玻璃放电管击穿后长时间导通而损坏。
（四）TVS管
1、概述：
TVS管是瞬态电压抑制器（TransientVoltageSuppressor）的简称。
它的特点是：
响应速度特别快（为ps级）；耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差，其10/1000μs波脉冲功率从400W～30KW，脉冲峰值电流从0.5A～606A；击穿电压有从6.8V～550V的系列值，便于各种不同电压的电路使用。
它的封装形式有轴向引线型与贴片型两大类。
贴片型有：
SMAJ（400W）、SMBJ（600W）、SMCJ（1.5kW）、SMDJ（3kW）系列，轴向引线型有：
P4KE（400W）、SA（500W）、P6KE（600W）、1.5KE（1.5kW）、3KP（3kW）、5KP（5kW）、15KPA（15kW）、20KPA（20kW）、30KPA（30kW）系列和BZW04（400W）系列。
还有低电容的SAC（500W，50pF）、LCE（1.5kW，100pF）系列TVS管。
2、特性：
TVS管有单向与双向之分（单向的型号后面的字母为“A”，双向的为“CA”），单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联，特性曲线见下图。
其主要特性参数有：
①反向断态电压（截止电压）VRWM与反向漏电流IR：
反向断态电压（截止电压）VRWM表示TVS管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
②击穿电压VBR：
TVS管通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压（P4KE、P6KE、1.5KE系列型号中的数字就是击穿电压的标称值，其它系列的数字是反向断态电压值）。
TVS管的击穿电压有±5%的误差范围。
③脉冲峰值电流IPP：
TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其4～5倍），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。
在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。
④最大箝位电压VC：
TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
⑤脉冲峰值功率Pm：
脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积，即Pm=IPP*VC。
⑥稳态功率P0：
TVS管也可以作稳压二极管用，这时要使用稳态功率。
其各系列的稳态功率见下表：
脉冲峰值功率Pm
400W
500W
600W
1500W
3000W
稳态功率P0
1W
3W
5W
6.5W
8W
⑦极间电容Cj：
与压敏电阻一样，TVS管的极间电容Cj也较大，且单向的比双向的大，功率越大的电容也越大。
3、使用指导：
①TVS管使用时，一般并联在被保护电路上。
为了限制流过TVS管的电流不超过允许通过的峰值电流IPP，应在线路上串联限流元件，如电阻、自恢复保险丝、电感等。
②击穿电压VBR的选择：
TVS管的击穿电压应根据线路最高工作电压UM按公式：
VBR≥1.2UM（UM≤0.8VBR）或VRWM≥1.1UM（UM≤0.9VRWM）选择。
③脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压VC的选择：
当TVS管单独使用时，要根据线路上可能出现的最大浪涌电流来选择IPP合适的型号。
当TVS管作为第二级保护时，一般用500W～600W的就可以了。
要注意的是，最大箝位电压VC应不大于被保护设备所能耐受的最大浪涌电压（安全电压）。
④用于信号传输电路保护时，一定要注意所传输信号的频率或传输速率。
当信号频率或传输速率较高时，应选用低电容系列的管子。
当低电容系列仍满足不了要求时，就应把TVS管接到快速恢复二极管组成的桥路中，以降低总的等效电容，提高传输信号频率。
另外，还有一类小功率TVS管是专门用来做防静电保护的，称为TVS/ESD管。
因为功率较小，往往做成超小型封装，在一个封装内集成几个TVS管。
主要用于IC芯片的防静电保护，例如电脑和各种通信设备、监控设备、数据采集设备、USB等I/O端口的保护。
这类TVS/ESD管为了适应工作电压越来越低的要求，断态电压有的已经做到1.5V，脉冲功率一般为几十至几百瓦。
（五）半导体过压保护器（半导体放电管）
1、概述：
半导体过压保护器是根据可控硅原理采用离子注入技术生产的一种新型保护器件，具有精确导通、快速响应（响应时间ns级）、浪涌吸收能力较强、双向对称、可靠性高等特点。
由于其浪涌通流能力较同尺寸的TVS管强，可在无源电路中代替TVS管使用。
但它的导通特性接近于短路，不能直接用于有源电路中。
半导体过压保护器有贴装式（SMA、SMB、SO-8）、直插式（TO-92、SIP3）和轴向引线式（DO-15）三种封装形式。
2、特性：
半导体过压保护器的特性曲线如下图所示。
IPP
IBO
i
IH
VBOVBRVRM
IRM
IRM
v
VRMVBRVBO
IH
IBO
IPP
其特性参数大多已标在图上，有以下几个：
①断态电压VRM与漏电流IRM：
断态电压VRM表示半导体过压保护器不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的漏电流IRM。
②击穿电压VBR：
通过规定的测试电流IT（一般为1mA）时的电压，这是表示半导体过压保护器开始导通的标志电压。
③转折电压VBO与转折电流IBO：
当电压升高达到转折电压VBO（对应的电流为转折电流IBO）时，半导体过压保护器完全导通，呈现很小的阻抗，两端电压VT立即
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