1 開關元件類

1.1 定義

正常工作時，開關元件是斷開的;當雷擊浪涌來的時候，開關元件導通，將浪涌電流泄放到大地，從而保護了電子設備免受浪涌沖擊損壞。

1.2 開關元件分類

開關元件類有陶瓷氣體放電管、玻璃放電管(強效放電管)、半導體過壓保護器(半導體放電管、固體放電管)三種類型。

1.2.1 陶瓷氣體放電管

1.2.1.1 陶瓷氣體放電管工作原理

氣體放電管的內部結構如圖所示。它主要由電極及絕緣瓷管所組成，在電極的有效電子檄活化合物發射表面上涂有激活化合物(電子粉)，電極間的距離一般小于1mm以提高屯子的發射能力。為了保證氣體放電管能快速地將浪涌電壓限制在低電位，在陶瓷絕緣管內表面制作有一導電帶，通過作用電場來加速放電區域的電離，使放電管具有快速響應特性和可恢復性

把一對互相隔開的冷電極，封裝在玻璃或陶瓷管內，管內再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣)，就構成了一只放電管。

由于兩只放電管分別裝在一個回路的兩根導線上，有時回不同時放電，使兩導線之間出現電位差，為了使兩根導線上的放電管能接近統一時間放電，減少兩線之間的電位差，又研制了三級放電管。可以看作是由兩只二級放電管合并在一起構成的。三級放電管中間的一級作為公共地線，另兩級分別接在回路的兩條導線上。

1.2.1.2 氣體放電管技術參數

氣體放電管主要技術參數：

① 標稱直流擊穿電壓(V);

② 直流擊穿電壓誤差(%);

③ 沖擊擊穿電壓(V);

④ 標稱耐沖擊電流(kA);

⑤ 單次耐沖擊電流(kA);

⑥ 絕緣電阻(GΩ);

⑦ 電容(pF);

⑧ 外形尺寸(mm);

1.2.2 玻璃放電管

“玻璃放電管”將半導體集成在氣體放電管里，使該產品集氣體放電管的大浪涌電流和半導體的高速響應于一體，克服了原氣體放電管響應速度慢(μs級)和半導體管耐浪涌電流弱的缺點、具有響應速度快(ns級)、耐沖擊、性能穩定、重復性好和壽命長等優點。電流承受能力強(8/20μs)：500A、1000A、3000A。

1.2.3 固體放電管

固體放電管是基于晶閘管原理和結構的一種兩端負阻器件。可以吸收突波，抑制過高電壓，達到保護易損組件的目的。該 器件是在硅單晶片兩面同時摻雜同種雜質而形成。

① 擊穿(導通)前相當于開路，電阻很大，幾乎沒有漏電流;

② 擊穿(導通)后相當于短路，可通過很大的電流，壓降很小;

③ 脈沖通流容量(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(當然還有更大的，達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波峰值電流現有500A、1kA、3kA三種;半導體過壓保護器的10/1000μs波峰值電流在幾十至上百A之間。

④ 除了個別半導體過壓保護器外，它們都具有雙向對稱特性。

⑤ 陶瓷氣體放電管和玻璃放電管的電容都很小，在3pF以下。

⑥ 玻璃放電管和半導體過壓保護器的響應速度都很快，在ns量級。

⑦ 玻璃放電管的擊穿電壓可以做得很高，最高的達5kV。

⑧ 半導體過壓保護器的擊穿電壓可以做得很準確。

1.4 開關元件缺點

① 由于氣體電離需要一定的時間，所以響應速度較慢，反應時間一般為0.2～0.3μs(200～300ns),最快也就是0.1μs(100ns)左右，在它未導通前，會有一個幅度較大的尖脈沖漏過去。

② 擊穿電壓一致性較差，分散性較大，一般為±20%。

③ 擊穿電壓只有幾個特定值。玻璃放電管和半導體過壓保護器：

④ 通流容量較陶瓷氣體放電管小得多。

⑤ 擊穿電壓尚未形成系列值。

⑥ 玻璃放電管擊穿電壓分散性較大，為±20%。

⑦ 半導體過壓保護器電容較大，有幾十至幾百pF。

1.5 放電管的測量

1.5.1 防雷元件測試儀(FC-2G)

適用于氧化鋅避雷器(壓敏電阻)、金屬陶瓷放電管、真空避雷管等過壓防護元件直流參數的測試。

具有記憶、運算、保持、控制、自檢功能。

具有高壓短路保護、過流保護、高壓予置等功能。高壓自泄放時間小于0.5秒。

測試結果由三位半LCD數字顯示、準確度高，可靠性好。

多功能型還具有連續和篩選功能、適合電信部門使用的點火電壓190V～260V的放電管批量檢驗。

1.5.2 測量方法(FC-2G 型測氣體放電管)

①將“測試選擇”鍵置“放電管”位;“U0.75選擇”鍵置“人工”位，開啟電源和高壓。

②調節“高壓預置”旋鈕。使儀器顯示的預置電壓值低于被測放電管標稱值100V以下，直至起始位置(約15V)。

③將被測放電管用測量線接入儀器“測試孔”“+”、“—”端鈕，輕觸“升壓”鍵，待綠色“放電指示燈”亮時，儀器穩定顯示出的值為該放電管點火電壓值。

連續測試時，須待預置電壓顯示值穩定后，再啟動“升壓”鍵。

2 限壓元件類

2.1 定義

當限壓元件外加電壓小于其導通電壓時，它具有很大的內阻，漏電流很小;當外加電壓大于其導通電壓時，其內阻急劇減小，可以流過很大的電流，而其兩端的電壓卻只有少量的上升。。

2.2 限壓元件分類

限壓元件類有壓敏電阻、TVS管(瞬態電壓抑制二極管)等。它們象穩壓二極管那樣具有限壓特性。它們的導通電壓都有從低壓到高壓的系列值，便于在各種不同電壓的電路中使用。另外，兩者的電容都較大(TVS管也有低電容產品)，不適于在高頻電路中使用。。

2.2.1 壓敏電阻

2.2.1.1 壓敏電阻工作原理

壓敏電阻(ZnO)實際上是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當于一只小電容器，而當電路出現過電壓時，它的內阻急劇下降并迅速導通，其工作電流增加幾個數量級，從而有效地保護了電路中的其它元器件不致過壓而損壞，它的伏安特性是對稱的，如圖(1)a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的，它的內部微觀結構如圖(1)b 所示。微觀結構中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個晶粒之間形成了一個相當于齊納二極管的勢壘，這就是一壓敏電阻單元，每個單元擊穿電壓大約為3.5V，如果將許多的這種單元加以串聯和并聯就構成了壓敏電阻的基體。串聯的單元越多，其擊穿電壓就超高，基片的橫截面積越大，其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時，每個壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量，而不象齊納二極管那樣只是結區承受電功率，這就是壓敏電阻為什么比齊納二極管能承受大得多的電能量的原因。

我國規定壓敏電阻用字母“MY”表示，如加J為家用，后面的字母分別表示：W——穩壓、G——過壓保護、P——高頻電路、L——防雷、H——滅弧、Z——消噪、B——補償、C——消磁、N——高能、K——高可靠。

2.2.1.2 壓敏電阻技術參數

壓敏電阻主要技術參數：

① 標稱電壓(V)：指通過1mA直流電流時壓敏電阻器兩端的電壓值。

② 電壓比：指壓敏電阻器的電流為1mA時產生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時產生的電壓值之比。

③ 最大限制電壓(V)：指壓敏電阻器兩端所能承受的最高電壓值。

④ 殘壓比：通過壓敏電阻器的電流為某一值時，在它兩端所產生的電壓稱為這一電流值的殘壓。殘壓比則是殘壓與標稱電壓之比。

⑤ 通流容量(kA)：通流容量也稱通流量，是指在規定的條件(規定的時間間隔和次數，施加標準的沖擊電流)下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖(峰值)電流值。

⑥ 漏電流(μA)：漏電流也稱等待電流，是指壓敏電阻器在規定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器電流。

⑦ 電壓溫度系數：指在規定的溫度范圍(溫度為20℃～70℃)內，壓敏電阻器標稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電流保持恒定時，溫度改變1℃時，壓敏電阻器兩端電壓的相對變化。

⑧ 電流溫度系數：指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時，溫度改變1℃時，流過壓敏電阻器電流的相對變化。

⑨ 電壓非線性系數：指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下，其靜態電阻值與動態電阻值之比。

⑩ 絕緣電阻：指壓敏電阻器的引出線(引腳)與電阻體絕緣表面之間的電阻值。

? 靜態電容量(PF)：指壓敏電阻器本身固有的電容容量。

? 外形尺寸(mm)

2.2.1.3 壓敏電阻檢測方法

1)使用“自動”位測試壓敏電阻

a) 將前面板“測試選擇”鍵置“壓敏電阻”位;將"U0.75選擇”鍵置“自動”位，將后面板“顯示選擇”兩撥動開關置“自動位”后開啟電源。

b) 將被測壓敏電阻用測試線接人“測試孔”的“+”、“—”端，輕觸高壓“啟”鍵，儀器顯示值即為起始動作電壓U1mA值。即時按住“漏流”鍵，儀器再顯示的值為0.75U1mA條件下的漏流I0.75U1mA值。

c) 輕觸高壓“停”鍵后取下被測壓敏電阻。

d) 連續使用時從1.2開始。

2)使用“人工”位測試壓敏電阻。

a) 將“測試選擇”鍵置壓敏電阻位;將“U0.75”選擇鍵置“人工”位;將“顯示選擇”開關置“電壓”位，開啟電源和高壓。調節高壓預置旋鈕，使儀器顯示的電壓值高于被測試的壓敏電阻標稱值的1.2倍以上(絕對值應≥100V)。爾后，可連續接入壓敏電阻進行U1mA單一指標的測試。

b) 根據已測壓敏電阻U1mA值計算出0.75U1mA，將儀器預置電壓調節到此值，再將“顯示選擇”開關撥至“電流”位，爾后，可連續接入U1mA值相同的壓敏電阻進行I0.75U1mA單一指標的測試。

2.2.2 瞬態電壓抑制二極管(TVS)

2.2.2.1 TVS的工作原理

TVS半導體二極管是一種特殊的器件，采用聚烴硅氧制成的N/P結，通過控制N/P結的摻雜濃度和基片的電阻率產生雪崩現象，使用箝位特性對瞬態電壓進行箝位。最大特點是通過控制聚烴硅氧的N/P結和控制襯底的電阻率產生雪崩特性，能夠提供正向和反向的瞬態電壓保護，TVS二極管在規定的反向條件下，能承受高能量的瞬態過壓抑制，其工作阻抗瞬間降至很低的導通值，允許很大的電流通過，對過電壓進行箝位，從而有效地保護電子線路免遭損壞。可分為單向和雙向兩種類型：

1)單向TVS的V-I特性

如圖1-1所示，單向TVS的正向特性與普通穩壓二極管相同，反向擊穿拐點近似“直角”為硬擊穿，為典型的PN結雪崩器件。從擊穿點到Vc值所對應的曲線段表明，當有瞬時過壓脈沖時，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，并保持在這一水平上。

2、雙向TVS的V-I特性

如圖1-2所示，雙向TVS的V-I特性曲線如同兩只單向TVS“背靠背”組合，其正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性，正反兩面擊穿電壓的對稱關系為：0.9≤V(BR)(正) /V(BR)(反) ≤1.1，一旦加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓Vc就會立刻被抑制掉，雙向TVS在交流回路應用十分方便。

2.2.2.2 TVS主要技術參數

1)擊穿電壓V(BR)

器件在發生擊穿的區域內，在規定的試驗電流I(BR) 下，測得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在此區域內，二極管成為低阻抗的通路。

2)最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時，在規定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。IPP與最大箝位電壓Vc(MAX)的乘積，就是瞬態脈沖功率的最大值。

使用時應正確選取TVS，使額定瞬態脈沖功率PPR大于被保護器件或線路可能出現的最大瞬態浪涌功率。

圖1-3表明當瞬時脈沖峰值電流出現時，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數下降，箝位電壓亦下降，恢復到原來狀態。因此，TVS能抑制可能出現的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護電子線路。

峰值電流波形

A、正弦半波

B、矩形波

C 、標準波(指數波形)

D、三角波

TVS峰值電流的試驗波形采用標準波(指數波形)，由TR/TP決定。

峰值電流上升時間TR:電流從0.1IPP開始達到0.9IPP的時間。

半峰值電流時間TP：電流從零開始通過最大峰值后，下降到0.5IPP值的時間。 其波形如圖1-4所示。

下面列出典型試驗波形的TR/TP值：

A、EMP波(圖1-5)：10ns /1000ns B、閃電波：8μs /20μs C、標準波：10μs /1000μs

3)最大反向工作電壓VRWM(或變位電壓)

器件反向工作時，在規定的IR下，器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM。通常VRWM =(0.8～0.9)V (BR) 。在這個電壓下，器件的功率消耗很小。使用時，應使VRWM 不低于被保護器件或線路的正常工作電壓。

4)最大箝位電壓Vc(max)

在脈沖峰值電流Ipp 作用下器件兩端的最大電壓值稱為最大箝位電壓。使用時，應使Vc(max)不高于被保護器件的最大允許安全電壓。最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝為系數。

即：箝位系數=Vc(max)/V(BR)

一般箝位系數為1.3左右。

5)反向脈沖峰值功率PPR

TVS的PPR取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓Vc(max )，除此以外，還和脈沖波形、脈沖時間及環境溫度有關。

當脈沖時間Tp一定時，PPR =K1...·K2 ·Vc(max ) ·Ipp

式中K1為功率系數，K2為功率的溫度系數。

典型的脈沖持續時間tp為1MS，當施加到瞬態電壓抑制二極管上的脈沖時間tp 比標準脈沖時間短時，其脈沖峰值功率將隨tp的縮短而增加。圖1-8給出了PPR與tp 的關系曲線。TVS的反向脈沖峰值功率PPR與經受浪涌的脈沖波形有關，用功率系數K1表示，各種浪涌波形的K1值如表1所示。

E=∫i(t).V(t)dt

式中：i(t)為脈沖電流波形，V(t)為箝位電壓波形。

這個額定能量值在極短的時間內對TVS是不可重復施加的。但是，在實際的應用中，浪涌通常是重復地出現，在這種情況下，即使單個的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復施加，這些單個的脈沖能量積累起來，在某些情況下，也會超過TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設計必須在這點上認真考慮和選用TVS器件，使其在規定的間隔時間內，重復施加脈沖能量的累積不至超過TVS器件的脈沖能量額定值。

6)電容CPP

TVS的電容由硅片的面積和偏置電壓來決定，電容在零偏情況下，隨偏置電壓的增加，該電容值呈下降趨勢。電容的大小會影響TVS器件的響應時間。

7)漏電流IR

當最大反向工作電壓施加到TVS上時，TVS管有一個漏電流IR，當TVS用于高阻抗電路時，這個漏電流是一個重要的參數

2.3 壓敏電阻和TVS的區別

壓敏電阻與TVS管的區別在于：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，最大可達幾十kA到上百kA;但壓敏電阻的漏電流較大，非線性特性較差(動態電阻較大)，大電流時限制電壓較高，且所能耐受的沖擊電流的大小隨沖擊次數的增加而減小(降額特性)，較易老化。TVS管的非線性特性和穩壓管完全一樣，動態電阻較小，限制電壓較低，且不易老化，使用壽命長，但通流能力較小(10/1000μs波峰值電流在幾A至幾百A之間)。再有就是反應速度不同，TVS管的反應速度極快，為ps級，而壓敏電阻反應速度稍慢，為ns級。

3 防過流元件類和過熱保護元件

3.1 防過流元件分類

防過流元件有自恢復保險絲、電流保險絲、電阻，防過熱保護和過熱檢測元件有溫度保險管和溫度保險絲。。

3.2 自恢復保險絲

3.2.1 定義

自恢復保險絲是一種正溫度系數熱敏電阻，當流過它的電流小于其保持電流時(溫度較低)，它的阻值很小;當流過它的電流超過其觸發電流時(溫度升高)，它的阻值急劇增大，從而阻斷雷電流的繼續侵入或者電路的續流，溫度降低后能自行恢復。但由于熱惰性，其反應速度很慢，一般為秒級(流過的電流越大或溫度越高，反應越快)。自恢復保險絲可以用于代替電流保險絲，免除經常更換的麻煩。

3.2.2 自恢復保險絲的主要參數

① 保持電流(ih)：25℃靜止空氣環境中不觸發電阻突越的最高電流。

② 觸發電流(it)：25℃靜止空氣環境中ptc聚合物自復保險絲從低阻轉為高阻抗的最小電流。

③ 最大電壓(vmax)：ptc聚合物自復保險絲的最大工作電壓。

④ 最大電流(imax)：ptc聚合物自復保險絲能承受的最大電流。

⑤ 動作功率(pdtyp.)：25℃環境溫度時ptc聚合物自復保險絲動作狀態下的消耗功率。

⑥ 動作時間(ttrip)：5倍保持電流下最大動作時間。。

3.3 電流保險絲

3.3.1 電流保險絲原理

保險絲通電時，由電能轉換的熱量使可熔體的溫度上升。正常工作電流或允許的過載電流通過時，產生的熱量通過可熔體、外殼體向周圍環境輻射，通過對流、傳導等方式散發的熱量與產生的熱量逐漸達到平衡。如果產生的熱量大于散發的熱量，多余的熱量就逐漸積聚在可熔體上，使可熔體溫度上升;當溫度達到和超過可熔體的熔點時，就會使可熔體熔化、熔斷而切斷電流，起到了安全保護電路的作用。

3.3.2 電流保險絲的主要技術參數

① 額定電流：保險絲管的公稱工作電流(正常條件下，保險絲長期維持正常工作的最大電流)。

② A 0 F}4額定電壓：保險絲的公稱工作電壓(保險絲斷開瞬間，能安全承受的最大電壓)。選用保險絲時，被選用保險絲的額定電壓，應大于被保護回路的輸入電壓。

③ 分斷能力：當電路中出現很大的過載電流(如強短路)時，保險絲能安全切斷(分斷)電路的最大電流。它是保險絲最重要的安全指標。安全分斷是指在分斷電路中不發生噴濺、燃燒、爆炸等危及周圍元、部件以至人身安全的現象。

④ 過載能力(承載能力)：保險絲能在規定時間內維持工作的最大過載電流。當流經保險絲的電流超過額定電流時，一段時間后熔體溫度將逐漸上升以至最后被熔。UL標準規定：保險絲維持工作4小時以上，最大不熔斷電流是額定電流的110%(微型保險絲管為100%);IEC標準規定：保險絲維持工作1小時以上，最大不熔斷電流是額定電流的150%

⑤ 熔斷特性(I-T)：保險絲所加負載電流與保險絲熔斷時間的關系。

3.4 電阻

3.4.1 電阻的工作原理

在電子電路中常用的電阻器有固定式電阻器和電位器，按制作材料和工藝不同，固定式電阻器可分為：膜式電阻(碳膜RT、金屬膜RJ、合成膜RH和氧化膜RY)、實芯電阻(有機RS和無機RN)、金屬線繞電阻(RX)、特殊電阻(MG型光敏電阻、MF型熱敏電阻)四種。

3.4.2 電阻的主要技術參數

① 電阻和阻值：導電材料在一定程度上阻礙電流流過的物理性能。 在保證測試靈敏度的情況下，應注意測試電壓應絕對的低，時間盡量短，避免電 阻發熱引起誤差。并使測量功率小于額定功率的10%。

② 標稱電阻及允差：即實際值與標稱值之間的差別。

③ 額定功率：在正常大氣壓力(650-800mmhg)和額定溫度下， 長期連續工作并能滿足性能要求所允許的最大功率。

④ 額定電壓：由阻值和功率換算的電壓， 考慮到電擊穿， 上升到一定值后， 受最大工作電壓的限制。

⑤ 最大工作電壓：由于尺寸結構的限制所允許的最大連續工作電壓。

⑥ 溫度系數：在某一規定的環境溫度范圍內，溫度改變1度電阻的變化量。

⑦ 絕緣電阻：在正常大氣壓力下，電阻引線與電阻殼體之間的絕緣電阻。

⑧ 噪聲：產生于電阻器中的一種不規則的電壓起伏，包括熱噪聲和電流噪聲兩部分，熱噪聲是由于導體內部不規則的電子自由運動，使導體任意兩點的電壓不規則變化。在非線繞電阻中， 還有電流噪聲，由于電流噪聲和電阻兩端的工作電壓成正比，所以可衡量電流噪聲的指標uv/v。

⑨ 穩定性：在指定的時間內，受到環境，負荷等因素的影響，保持其初始阻值的能力。

⑩ 電阻的負載特性：允許功率與環境溫度的關系，當環境溫度等于最高環境溫度時，功率將降為零。

3.5 溫度保險絲

3.5.1 溫度保險絲的工作原理

溫度保險管和溫度保險絲是一種溫度開關元件，正常工作時是短路的，當溫度高于其斷開溫度時開關斷開(不可恢復)，常用于過熱保護和過熱檢測。

溫度保險絲具有熔斷溫度準確、耐電壓高、體積小以及成本低等特點。在溫度保險絲的外殼上標注有額定溫度值及額定電流值，識別沒有困難，使用也十分方便。它可廣泛應用于電氣設備、電熱設備和實用電器等場合，作過熱保護之用。

3.5.2 溫度保險絲的主要技術參數

① 額定溫度:有時也稱為動作溫度或熔斷溫度，它是指在無負荷的情況下，使溫度以每分鐘1℃的速度上升至熔斷時的溫度。

② 熔斷精度:是指溫度保險絲實際熔斷溫度與額定溫度的差值。

③ 額定電流與額定電壓:一般溫度保險絲標你的電流及電壓均有一定的余量，通常為5A和250V。

審核編輯：湯梓紅