電路設計專欄 — 壓敏電阻 Part 1 – 基本概念

發表日期:2016/05/02    本文瀏覽次數:4,796次

投稿人:舜全電子總工程師呂建勳先生 / 【請點我參閱-壓敏電阻 Part 2

在不同的技術文獻中,電子產品環境應力與失效的排名是一樣的。產品的失效可能包含壞死及誤動作,電氣應力的失效模式包含「電壓、電流」兩個參數,過高或者過低都有可能造成失效。一般來說過高的電壓及電流,如果沒有適當的保護,將會使電子產品永久受損。不足的電壓或電流,則是造成電路誤動作。過電流保護 (OCP:Over Current Protection)是以串聯的機制進行保護,過電壓保護 (OVP:Over Voltage Protection)是以並聯的機制進行保護。

電子失效之環境應力

environment-stress

OCP 串聯 – OVP 並聯

OCP-OVP

 

過電壓保護,又可分為兩大類「Clamping、Crowbar」,而壓敏電阻是屬於Clamping Device。

Clamping Devices

clamping-device

Crowbar Devices

crowbar-device

 

壓敏電阻基本功能:

壓敏電阻又稱為「變阻器、變阻體或突波吸收器」。廣泛的被應用在電子線路中,來防護因為電力供應系統的暫態突波電壓所可能對電路的傷害。當高壓來到時,壓敏電阻的電阻降低,而將電流予以分流,因而保護了後端的電子元件,防止受到過大的暫態電壓破壞或干擾。市場上壓敏電阻的英文縮寫很多,為避免混淆,在此說明。壓敏電阻的英文縮寫,可概分有兩種類別:「動作原理角度的英文縮寫」、「材料及公司角度的英文縮寫」。

壓敏電阻「動作原理角度」的英文縮寫:

英文名稱 Varistor 得名於 Variable(會變的)+ Resistor(電阻)兩字的結合。雖然壓敏電阻(變阻器)的英文 Varistor 字源來自「可變」與「電阻」兩字,但壓敏電阻與可變電阻這兩個名詞指的是完全不同的兩種零件請勿混淆。可變電阻是一種歐姆導體,電流-電壓特性曲線是線性的。而Varistor是一種具有顯著非歐姆導體性質的電子元件,電阻值會隨外部電壓而改變,因此它的電流-電壓特性曲線具有顯著的非線性。因為電阻值會隨外部電壓而改變,所以Varistor也稱為 VDR (Voltage Dependent Resistor)。

壓敏電阻「材料及公司角度」的英文縮寫:

因為最常見的壓敏電阻是金屬氧化物壓敏電阻(Metal Oxide Varistor),它包含由氧化鋅顆粒與少量其他金屬氧化物或聚合物間隔構成的陶瓷塊,夾於兩金屬片間。取個別英文字開頭,所以簡稱為MOV。ZNR:特別標示了主材料「氧化鋅, Zinc-Oxide」,及「非線性Non-Linear」,還有「電阻  Resistor」的英文,所以縮寫為ZNR。CNR:是加入品牌名概念,「Centra:是MOV的知名品牌之一,即是舜全電子」,後面的「Non-Linear Resistor」同上,所以縮寫為CNR。ZOV:是氧化鋅壓敏電阻的縮寫。TNR:品牌名 「Toshiba,東芝」,加上「Non-Linear Resistor」縮寫。早期也有 (碳化矽,Silicon Carbide,SiC) 為主材料做壓敏電阻,其變阻特性較差,後來氧化鋅 Varistor開發後,氧化鋅 Varistor特性優於碳化矽Varistor,所以氧化鋅 Varistor,佔據壓敏電阻的市場。

典型之變阻器 V-I 特性曲線可分為三個部份:「漏電流區(Leakage Region)」、「工作區 (Normal Region)」及「上轉區 (Upturn Region)」。

壓敏電阻器 V-I 特性曲線

varistor-vi-curve

壓敏電阻器 V-I 特性曲線 – 漏電流區

varistor-operation-leakage-region

壓敏電阻器 V-I 特性曲線 – 工作區

varistor-operation-operation-region

壓敏電阻器 V-I 特性曲線 – 上轉區

varistor-operation-upturn-region

 

下圖是「壓敏電阻結構」,與「製造流程」示意圖。MOV在電源過電壓保護中,最常見的是DISC型態的封裝。壓敏電阻本體是金屬氧化物,它包含由氧化鋅顆粒與少量其它金屬氧化物或聚合物間隔構成的陶瓷塊,也就是編號2 (元件本體)。元件本體夾於兩金屬片中間,此處兩片金屬即是編號3 (電極層),是透過印銀及燒銀還原形成的兩片金屬。再經過錫爐的製程將內部電極層與引腳導針(編號5)連接(編號4)起來。在製程中透過塗布環氧樹脂,及使其固化形成了絕緣層,也就是編號1。

壓敏電阻器 – 結構 mov-Structure

壓敏電阻器 – DISC結構 mov-disc-Structure

壓敏電阻器 – 製造流程 (前段) mov-mfg-part1

壓敏電阻器 – 製造流程 (後段) mov-mfg-part2