1個開關元件類別

1.1定義

在正常操作期間，開關元件關斷；當雷電浪涌來臨時，開關元件導通，浪涌電流向地放電，保護電子設備免受浪涌沖擊損壞。

1.2開關元件的分類

開關元件有三種:陶瓷氣體放電管、玻璃放電管(大功率放電管)和半導體過壓保護器(半導體放電管和固體放電管)。

1.2.1陶瓷氣體放電管

1.2.1.1陶瓷氣體放電管的工作原理

氣體放電管的內部結構如圖所示。它主要由電極和絕緣瓷管組成?；钚曰衔?電子粉)涂在電極的發射面上，電極間距一般小于1mm，以提高村莊的發射能力。為了保證氣體放電管能夠快速將浪涌電壓限制在低電位，在陶瓷絕緣管的內表面制作導電條，通過施加電場加速放電區域的電離，使放電管具有快速的響應特性和可恢復性。

一對相互分離的冷電極封裝在玻璃或陶瓷管中，管內充有一定壓力的惰性氣體(如氬氣)形成放電管。

因為兩個放電管分別安裝在一個回路的兩根導線上，有時它們在不同的時間放電，所以兩根導線之間存在電位差。為了使兩根導線上的放電管同時放電，減小兩根導線之間的電位差，研制了三級放電管?？梢哉J為是兩個二極管放電管的組合。三級放電管的中間一級作為公共地，另外兩級分別接在回路的兩根線上。

1.2.1.2氣體放電管技術參數

氣體放電管的主要技術參數:

①標稱DC擊穿電壓(V)；

② DC擊穿電壓誤差(%)；

③沖擊擊穿電壓(V)；

④標稱沖擊電流(Ka)；

⑤單次沖擊電流(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”將半導體集成到氣體放電管中，集成了氣體放電管的大浪涌電流和半導體的高速響應?？朔嗽袣怏w放電管響應速度慢(μs級)和半導體管抗浪涌電流能力弱的缺點，具有響應速度快(ns級)、耐沖擊、性能穩定、重復性好、使用壽命長等優點。強電流容差(8/20μ s): 500a、1000A和3000A。

固體放電管

固態放電管是基于晶閘管原理和結構的負阻器件?？梢晕绽擞?，抑制過電壓，達到保護易損元件的目的。該器件通過在硅單晶晶片的兩側同時摻雜相同的雜質而形成。

①相當于擊穿前的開路(導通)，電阻很大，幾乎沒有漏電流；

(2)擊穿(導通)后相當于短路，能以較小的壓降通過較大的電流；

③脈沖電流容量(峰值電流)大:陶瓷氣體放電管8/20μs波的峰值電流通常為5kA、10kA、20kA等。(當然也有100kA以上的)，10/1000μs波峰值電流在幾十到幾百A之間；玻璃放電管中有三個8/20μs波的峰值電流:500A、1kA和3kA。半導體過壓保護器10/1000μs波的峰值電流在幾十到幾百a之間。

④除個別半導體過壓保護器外，均具有雙向對稱性。

⑤陶瓷氣體放電管和玻璃放電管的電容很小，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，最高可達5kV。

可以非常精確地獲得半導體過電壓保護器的擊穿電壓。

1.4開關元件的缺點

①由于氣體電離需要一定的時間，所以反應速度較慢，反應時間一般為0.2 ~ 0.3 μ s (200 ~ 300 ns)，最快約為0.1μs(100ns)。在開啟之前，振幅較大的尖脈沖會泄漏。

②擊穿電壓一致性差，分散性大，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流通能力遠小于陶瓷氣體放電管。

⑤擊穿電壓尚未形成一系列數值。

⑥玻璃放電管的擊穿電壓比較分散，為20%。

⑦半導體過壓保護器的電容比較大，從幾十到幾百pF不等。

1.5放電管的測量

1.5.1防雷元件測試儀(FC-2G)

適用于測試氧化鋅避雷器(變阻器)、金屬陶瓷放電管、真空防雷管等過電壓保護元件的DC參數。

具有記憶、操作、保持、控制和自檢功能。

具有高壓短路保護、過流保護和高壓預置功能。高壓自放電時間小于0.5秒。

測試結果由三個半液晶顯示屏顯示，準確度高，可靠性好。

多功能型還具有連續和篩選功能，適用于電信部門使用的點火電壓為190 V ~ 260 V的放電管的批量檢驗。

1.5.2測量方法(FC-2G氣體測量放電管)

①將“測試選擇”鍵設置到“放電管”位置；將“選擇”鍵置于“手動”位置，接通電源和高壓。

②調節“高壓預置”旋鈕。使儀器顯示的預置電壓比被測放電管的標稱值低100V，直到初始位置(約15V)。

③將被測放電管的測量線連接到儀器的“+”和“-”端子按鈕上，觸摸“升壓”按鈕。綠色“放電指示燈”亮時，儀器將穩定顯示放電管的點火電壓值。

連續測試時，必須在預設的電壓顯示值穩定后啟動“升壓”鍵。

2.壓力限制部件

2.1定義

當限壓元件的外加電壓小于其導通電壓時，其內阻大，漏電流小。當施加的電壓大于其導通電壓時，其內阻急劇下降，可以流過大電流，而兩端電壓只增加一點點。。

2.2壓力限制元件的分類

限壓元件包括壓敏電阻、TVS管(瞬態電壓抑制二極管)等。它們像齊納二極管一樣具有電壓限制特性。它們的導通電壓有從低壓到高壓的一系列值，便于在各種不同電壓的電路中使用。另外，兩者的電容都很大(TVS管也有低電容產品)，所以不適合高頻電路。。

變阻器

2.2.1.1壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻(ZnO)實際上是一種具有非線性伏安特性的敏感元件。在正常電壓條件下，相當于一個小電容。但當電路中出現過電壓時，其內阻急劇下降并迅速導通，工作電流增加幾個數量級，從而有效保護電路中的其他元件不受過電壓損害。其伏安特性是對稱的，如圖(1) a所示。該元件采用陶瓷工藝制造，其內部微觀結構如圖(1) b所示..微結構包括氧化鋅晶粒和晶粒周圍的晶界層。氧化鋅晶粒的電阻率很低，但晶界層的電阻率很高。在接觸的兩個晶粒之間形成等效于齊納二極管的勢壘，這是變阻器單元， 并且每個單元的擊穿電壓約為3.5V。如果許多這樣的單元串聯和并聯，則形成變阻器的矩陣。串聯的電池越多，擊穿電壓越高，襯底的橫截面積越大，電流容量越大。變阻器工作時，每個變阻器單元都承受浪涌電能，不像齊納二極管，這就是為什么變阻器能承受比齊納二極管大得多的電能。

在中國，字母“MY”用來表示變阻器。如果加上J是家用，下面的字母分別表示: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。

2.2.1.2壓敏電阻技術參數

壓敏電阻的主要技術參數:

①標稱電壓(V):指1mA直流電流通過時壓敏電阻器兩端的電壓。

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

③最大極限電壓(V):指壓敏電阻兩端所能承受的最大電壓。

④殘壓比:當通過壓敏電阻的電流為某一值時，其兩端產生的電壓稱為該電流值的殘壓。剩余電壓比是剩余電壓與標稱電壓的比值。

⑤載流量(kA):載流量又稱電流量，是指在規定的條件下(規定的時間間隔和次數，施加標準脈沖電流)允許通過壓敏電阻的最大脈沖(峰值)電流值。

⑥泄漏電流(μA):泄漏電流又稱等待電流，是指在規定溫度和最大DC電壓下流經壓敏電阻的電流。

⑦電壓-溫度系數:指在規定的溫度范圍內(溫度為20℃ ~ 70℃)，壓敏電阻標稱電壓的變化率，即通過壓敏電阻的電流保持不變，溫度變化1℃時，壓敏電阻兩端電壓的相對變化。

⑧電流溫度系數:指壓敏電阻兩端電壓保持不變，溫度變化1℃時，流過壓敏電阻的電流的相對變化。

⑨電壓非線性系數:在給定的外加電壓下，壓敏電阻的靜態電阻值與動態電阻值之比。

⑩絕緣電阻:指壓敏電阻的引出線(引腳)與電阻體絕緣面之間的電阻值。

靜態電容(PF):指變阻器本身的固有電容。

總尺寸(毫米)

2.2.1.3壓敏電阻檢測方法

1)使用“自動”位置測試變阻器。

a)將前面板上的“測試選擇”鍵設置到“變阻器”位置；將“選擇”鍵置于“自動”位置，將后面板上的兩個“顯示選擇”撥動開關置于“自動”位置后，接通電源。

b)將被測壓敏電阻的測試線連接到“測試孔”的“+”和“-”兩端，觸摸高壓“On”鍵，儀表顯示值為初始工作電壓U1mA的值。立即按住“泄漏”鍵，儀器將再次顯示0.75U1mA條件下的泄漏值。

c)觸摸高壓“停止”鍵，取下測試過的變阻器。

d)從1.2開始連續使用。

2)使用“手動”位置測試變阻器。

a)將“測試選擇”鍵設置到變阻器位置；將“”選擇鍵設置到“手動”位置；將“顯示選擇”開關設置為“電壓”，打開電源和高壓。調節高壓預置旋鈕，使儀器顯示的電壓大于被測壓敏電阻標稱值的1.2倍(絕對值應≥100V)。然后可以連續連接壓敏電阻，測試U1mA的單指標。

b)根據測得的變阻器U1mA值計算出0.75 U1mA，將儀器預置電壓調整到該值，然后將“顯示選擇”開關撥到“電流”位置。然后可以連續連接U1ma值相同的壓敏電阻進行單指標測試。

2.2.2瞬態電壓抑制二極管(TVS)

2.2.2.1TVS工作原理

TVS半導體二極管是一種特殊的器件，它采用聚有機硅氧烷制成的N/P結。通過控制N/P結的摻雜濃度和襯底的電阻率，發生雪崩現象，利用鉗位特性對瞬態電壓進行鉗位。最大的特點是通過控制聚有機硅氧烷的N/P結，控制襯底的電阻率，可以提供正向和反向瞬態電壓保護。TVS二極管在規定的反向條件下可以承受高能量的瞬態過壓抑制，其工作阻抗瞬間下降到極低的導通值，允許大電流通過，對過壓進行箝位，從而有效保護電子電路不受損壞?？煞譃閱蜗蚝碗p向兩種類型:

1)單向TVS的伏安特性。
如圖1-1所示，單向TVS的正向特性與普通齊納二極管相同，反向擊穿拐點近似為硬擊穿的“直角”，是典型的PN結雪崩器件。從擊穿點到Vc值的曲線段顯示，當有瞬時過壓脈沖時，器件的電流急劇增加，反向電壓上升到箝位電壓值并保持在這個水平。

2.雙向電視的伏安特性。
如圖1-2所示，雙向TVS的V-I特性曲線就像是兩個單向TVS的“背靠背”組合，在正負兩個方向上具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性。兩側擊穿電壓的對稱關系為:0.9≤V(BR)(正)/V(BR)(負)≤1.1，一旦其兩端施加的干擾電壓超過箝位電壓Vc，就會立即被抑制。

2 . 2 . 2 . 2電視主要技術參數

1)擊穿電壓V(BR)
在器件擊穿的區域，在規定的測試電流I(BR)下，器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在這個區域，二極管成為低阻抗路徑。

2)最大反向脈沖峰值電流IPP

反向工作時，器件在指定脈沖條件下允許通過的最大脈沖峰值電流。IPP和最大箝位電壓Vc(MAX)的乘積是瞬態脈沖功率的最大值。
使用時應正確選擇TVS，使額定瞬態脈沖功率PPR大于受保護設備或線路中可能出現的最大瞬態浪涌功率。

圖1-3顯示，當瞬時脈沖峰值電流出現時，TVS被擊穿，從擊穿電壓值上升到最大箝位電壓值。隨著脈沖電流呈指數下降，箝位電壓也下降并回到其原始狀態。因此，TVS可以抑制可能的脈沖功率，從而有效地保護電子電路。

峰值電流波形
正弦半波

矩形波

c、標準波(指數波形)

d，三角波
TVS峰值電流的測試波形采用標準波(指數波形)，由TR/TP確定。
峰值電流上升時間TR:電流從0.1IPP達到0.9IPP的時間。
半峰電流時間TP:電流從零經過最大峰值后下降到0.5IPP的時間。其波形如圖1-4所示。

典型測試波形的TR/TP值如下所示:

A.EMP波(圖1-5): 10 ns/1000 NSB，雷電波:8μs/20μsC，標準波:10 μ s/1000 μ s。

3)最大反向工作電壓VRWM(或位移電壓)
當器件反向工作時，器件兩端的電壓稱為規定IR下的最大反向工作電壓VRWM。一般vrwm = (0.8 ~ 0.9) v (br)。在這個電壓下，器件的功耗非常小。使用時，VRWM不應低于被保護設備或線路的正常工作電壓。

4)最大箝位電壓Vc(max)
脈沖峰值電流Ipp作用下器件兩端的最大電壓稱為最大箝位電壓。使用時，Vc(max)不應高于被保護設備的最大允許安全電壓。最大箝位電壓與擊穿電壓的比值稱為箝位因數。
即:箝位系數=Vc(max)/V(BR)
一般夾緊系數在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)，此外還與脈沖波形、脈沖時間和環境溫度有關。
當脈沖時間Tp不變時，PPR = k1 k2 VC (max) IPP。
其中K1是功率系數，K2是功率的溫度系數。
典型的脈沖持續時間tp為1 ms。當施加于瞬態電壓抑制二極管的脈沖持續時間tp短于標準脈沖持續時間時，脈沖峰值功率將隨著tp的縮短而增加。圖1-8顯示了PPR和tp之間的關系曲線。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
其中:i(t)是脈沖電流波形，V(t)是箝位電壓波形。
這個額定能量值不能在很短的時間內重復應用于電視。然而，在實際應用中，喘振通常會反復發生。在這種情況下，即使單脈沖能量遠小于TVS器件所能承受的脈沖能量，但如果反復施加，這些單脈沖能量就會累積，在某些情況下會超過TVS器件所能承受的脈沖能量。因此，在電路設計中必須仔細考慮和選擇TVS器件，使重復施加的累積脈沖能量在規定的間隔內不超過TVS器件的脈沖能量額定值。

6)電容器CPP
TVS的電容由硅片面積和偏置電壓決定。在零偏壓的情況下，電容值隨著偏壓的增加而減小。電容會影響TVS器件的響應時間。

7)泄漏電流IR
當最大反向工作電壓加到TVS上時，TVS管有一個漏電流IR，這是TVS用于高阻抗電路時的一個重要參數。

2.3壓敏電阻和TVS的區別

壓敏電阻和TVS管的區別在于，壓敏電阻可以承受更大的浪涌電流，其體積越大，所能承受的浪涌電流也越大，最多可以達到幾十kA到幾百kA；而壓敏電阻泄漏電流大，非線性特性差(動態電阻大)，大電流時極限電壓高，能承受的沖擊電流大小隨沖擊次數的增加而減小(降額特性)，所以容易老化。TVS管的非線性特性和穩壓管完全一樣，動態電阻小，極限電壓低，使用壽命長，但電流流通能力小(10/1000μs波峰值電流在幾A到幾百A之間)。然后就是反應速度的不同。TVS管反應速度極快，為ps級， 而壓敏電阻的反應速度稍慢，為ns級。

3.防過電流元件和過熱保護元件

3.1過電流保護元件的分類

過流保護元件包括自恢復保險絲、電流保險絲和電阻，過熱保護和過熱檢測元件包括溫度保險絲和溫度保險絲。。

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它的保持電流時(溫度低)，它的電阻很小。當流過它的電流超過它的觸發電流(溫度上升)時，它的電阻值急劇增加，從而阻斷雷電流或電路的續流的繼續侵入，溫度下降后它能自行恢復。但由于熱慣性，其反應速度很慢，一般在秒量級(電流越大或溫度越高，反應越快)?？梢杂米曰謴捅ｋU絲代替電流保險絲，避免了頻繁更換的麻煩。

3.2.2自恢復保險絲的主要參數

(1)保持電流(IH):在25℃的靜止空氣環境中不觸發電阻跳變的最高電流。

(2)觸發電流(IT):PTC聚合物自復位保險絲在25℃的靜態空氣環境中由低電阻變為高阻抗的最小電流。

③最大電壓(VMAX):PTC聚合物自愈保險絲的最大工作電壓。

④最大電流(IMAX):PTC聚合物自愈保險絲所能承受的最大電流。

⑤運行功率(PD典型值。):ptc聚合物自復位熔斷器在環境溫度為25℃的工作狀態下的功耗。

⑥動作時間(TTRIP):5倍保持電流下的最大動作時間。。

3.3電流保險絲

3.3.1電流保險絲原理

當保險絲通電時，易熔體的溫度因電能轉化的熱量而升高。當正常工作電流或允許過載電流通過時，產生的熱量通過易熔體和外殼向周圍環境輻射，通過對流、傳導等方式散發的熱量逐漸與產生的熱量達到平衡。如果產生的熱量大于散發的熱量，多余的熱量會逐漸積聚在易熔體上，使易熔體的溫度升高。當溫度達到或超過易熔體的熔點時，就會熔化并熔斷易熔體，切斷電流，起到安全保護電路的作用。

3.3.2電流熔斷器的主要技術參數

①額定電流:熔絲管的額定工作電流(正常情況下，熔絲長時間維持正常工作的最大電流)。

②A0F}4額定電壓:熔斷器的標稱工作電壓(熔斷器斷開時能安全維持的最大電壓)。選擇熔斷器時，所選熔斷器的額定電壓應大于被保護電路的輸入電壓。

(3)分斷能力:當電路中存在較大過載電流(如強短路)時，熔斷器能安全地切斷(分斷)電路的最大電流。它是引信最重要的安全指標。安全分斷是指分斷電路中不發生飛濺、燃燒、爆炸等危及周圍元件、元器件甚至人身安全的現象。

④過載能力(承受能力):熔斷器在規定時間內能維持工作的最大過載電流。當流經熔斷器的電流超過額定電流時，經過一段時間后，熔體溫度會逐漸升高，最終被熔化。UL標準規定:熔斷器應保持4小時以上，最大不熔斷電流為額定電流的110%(微熔絲管為100%)；IEC標準規定熔斷器應工作1小時以上，最大不熔斷電流為額定電流的150%。

⑤保險絲特性(I-T):施加在保險絲上的負載電流與保險絲熔斷時間的關系。

3.4阻力

3.4.1電阻器工作原理

電子電路中通常使用固定電阻和電位計。根據材料和工藝的不同，固定電阻器可分為四種:薄膜電阻器(碳膜RT、金屬膜RJ、合成膜RH和氧化膜RY)、實芯電阻器(有機rs和無機RN)、金屬線繞電阻器(RX)和特種電阻器(MG型光敏電阻和MF型熱敏電阻)。

3.4.2電阻的主要技術參數

①電阻和電阻值:導電材料在一定程度上阻礙電流流動的物理性質。在保證測試靈敏度的情況下，需要注意的是測試電壓要絕對低，時間要盡量短，以避免電阻發熱帶來的誤差。并且測得的功率小于額定功率的10%。

②標稱電阻和公差:即實際值與標稱值之差。

(3)額定功率:在正常大氣壓(650-800mmhg)和額定溫度下，能長時間連續工作，并滿足性能要求所允許的最大功率。

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

⑤最大工作電壓:由于尺寸和結構的限制，允許的最大連續工作電壓。

⑥溫度系數:在規定的環境溫度范圍內，溫度變化時電阻變化1度。

⑦絕緣電阻:正常大氣壓下電阻引線與電阻外殼之間的絕緣電阻。

⑧噪聲:電阻器中產生的不規則電壓波動，包括熱噪聲和電流噪聲。熱噪聲是由于電子在導體內部的不規則自由運動，使得導體任意兩點的電壓發生不規則變化。在非線繞電阻器中，也存在電流噪聲，電流噪聲與電阻器兩端的工作電壓成正比，因此可以用來測量電流噪聲的指標uv/v。

⑨穩定性:在規定的時間內，在環境、載荷等因素的影響下，保持其初始阻力的能力。

⑩電阻器的負載特性: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，功率將降至零。

3.5溫度保險絲

3.5.1溫度保險絲工作原理

溫度保險絲和溫度保險絲是溫度開關元件的一種，正常工作時短路，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、耐高壓、體積小、成本低的特點。溫度熔斷器的外殼上標有額定溫度值和額定電流值，易于識別，使用方便?？蓮V泛應用于電氣設備、電熱設備和實用電器的過熱保護。

3.5.2溫度熔斷器的主要技術參數

①額定溫度:有時稱為工作溫度或熔斷溫度，是指在空載情況下，以每分鐘1℃的速度上升到熔斷溫度的溫度。

(2)熔斷精度:指溫度熔斷器的實際熔斷溫度與額定溫度之差。

③額定電流和額定電壓:一般溫度保險絲表示你的電流和電壓有一定的裕量，一般是5A和250V V..