壓敏電阻應(yīng)用技術(shù)摘選

1,、什么是“壓敏電阻”

　　“壓敏電阻是中國(guó)大陸的名詞，意思是"在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變",，或者是說(shuō)"電阻值對(duì)電壓敏感"的阻器,。相應(yīng)的英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor”簡(jiǎn)寫(xiě)為“VDR”。

　　壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體,，所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種?，F(xiàn)在大量使用的"氧化鋅"（ZnO）壓敏電阻器，它的主體材料有二價(jià)元素（Zn）和六價(jià)元素氧（O）所構(gòu)成,。所以從材料的角度來(lái)看,，氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體”。

　　在中國(guó)臺(tái)灣，壓敏電阻器是按其用途來(lái)命名的,，稱為"突波吸收器",。壓敏電阻器按其用途有時(shí)也稱為“電沖擊（浪涌）抑制器（吸收器）”。

2,、壓敏電阻電路的“安全閥”作用

　　壓敏電阻有什么用,？壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值"UN"時(shí)，流過(guò)它的電流極小,，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門(mén),，當(dāng)電壓超過(guò)UN時(shí)，流過(guò)它的電流激增,，相當(dāng)于閥門(mén)打開(kāi),。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過(guò)電壓,，保護(hù)電路免受過(guò)電壓的損害,。

3、應(yīng)用類型

　　不同的使用場(chǎng)合,，應(yīng)用壓敏電阻的目的,，作用在壓敏電阻上的電壓/電流應(yīng)力并不相同，因而對(duì)壓敏電阻的要求也不相同,，注意區(qū)分這種差異,，對(duì)于正確使用是十分重要的。

　　根據(jù)使用目的的不同,，可將壓敏電阻區(qū)分為兩大類：

      ①保護(hù)用壓敏電阻,；

      ②電路功能用壓敏電阻。

3.1保護(hù)用壓敏電阻

      （1）區(qū)分電源保護(hù)用,，還是信號(hào)線,，數(shù)據(jù)線保護(hù)用壓敏電阻器，它們要滿足不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,。

      （2）根據(jù)施加在壓敏電阻上的連續(xù)工作電壓的不同,，可將跨電源線用壓敏電阻器可區(qū)分為交流用或直流用兩種類型,，壓敏電阻在這兩種電壓應(yīng)力下的老化特性表現(xiàn)不同,。

      （3）根據(jù)壓敏電阻承受的異常過(guò)電壓特性的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為浪涌抑制型,，高功率型和高能型這三種類型,。

    浪涌抑制型：是指用于抑制雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓等瞬態(tài)過(guò)電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過(guò)電壓的出現(xiàn)是隨機(jī)的,，非周期的,，電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類。

    高功率型：是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器,，例如并接在開(kāi)關(guān)電源變換器上的壓敏電阻,，這里沖擊電壓周期出現(xiàn)，且周期可知,，能量值一般可以計(jì)算出來(lái),，電壓的峰值并不大，但因出現(xiàn)頻率高,，其平均功率相當(dāng)大,。

    高能型：指用于吸收發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈，起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器,，對(duì)這類應(yīng)用,，主要技術(shù)指標(biāo)是能量吸收能力。

      壓敏電阻器的保護(hù)功能,，絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下,，是可以多次反復(fù)作用的，但有時(shí)也將它做成電流保險(xiǎn)絲那樣的"一次性"保護(hù)器件,。例如并接在某些電流互感器負(fù)載上的帶短路接點(diǎn)壓敏電阻,。

3.2電路功能用壓敏電阻

      壓敏電阻主要應(yīng)用于瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)，但是它的類似于半導(dǎo)體穩(wěn)壓管的伏安特性,，還使它具有多種電路元件功能,，例如可用作：

      （1）直流高壓小電流穩(wěn)壓元件，其穩(wěn)定電壓可高達(dá)數(shù)千伏以上,，這是硅穩(wěn)壓管無(wú)法達(dá)到的,。

      （2）電壓波動(dòng)檢測(cè)元件。

      （3）直流電瓶移位元件,。

      （4）均壓元件,。

      （5）熒光啟動(dòng)元件。

4,、保護(hù)用壓敏電阻的基本性能

      （1）保護(hù)特性,，當(dāng)沖擊源的沖擊強(qiáng)（或沖擊電流Isp=Usp/Zs)不超過(guò)規(guī)定值時(shí)，壓敏電阻的限制電壓不允許超過(guò)被保護(hù)對(duì)象所能承受的沖擊耐電壓（Urp）,。

      （2）耐沖擊特性,，即壓敏電阻本身應(yīng)能承受規(guī)定的沖擊電流，沖擊能量,，以及多次沖擊相繼出現(xiàn)時(shí)的平均功率,。

      （3）壽命特性有兩項(xiàng)，一是連續(xù)工作電壓壽命,，即壓敏電阻在規(guī)定環(huán)境溫度和系統(tǒng)電壓條件應(yīng)能可*地工作規(guī)定的時(shí)間（小時(shí)數(shù)）,。二是沖擊壽命，即能可*地承受規(guī)定的沖擊的次數(shù)。

      （4）壓敏電阻介入系統(tǒng)后,，除了起到"安全閥"的保護(hù)作用外,，還會(huì)帶入一些附加影響，這就是所謂"二次效應(yīng)",，它不應(yīng)降低系統(tǒng)的正常工作性能,。這時(shí)要考慮的因素主要有三項(xiàng)，一是壓敏電阻本身的電容量（幾十到幾萬(wàn)PF）,，二是在系統(tǒng)電壓下的漏電流,，三是壓敏電阻的非線性電流通過(guò)源阻抗的耦合對(duì)其他電路的影響。

如果電機(jī)是AC24V的,，在電機(jī)方向線對(duì)地接一個(gè)470K壓敏電阻,；如果電機(jī)是AC220V，則加471K壓敏電阻,。意義重要是消除電機(jī)換相產(chǎn)生的尖峰高壓,。

壓敏電阻的測(cè)量：壓敏電阻一般并聯(lián)在電路中使用，當(dāng)電阻兩端的電壓發(fā)生急劇變化時(shí),，電阻短路將電流保險(xiǎn)絲熔斷,，起到保護(hù)作用。壓敏電阻在電路中,，常用于電源過(guò)壓保護(hù)和穩(wěn)壓,。測(cè)量時(shí)將萬(wàn)用表置10k檔，表筆接于電阻兩端,，萬(wàn)用表上應(yīng)顯示出壓敏電阻上標(biāo)示的阻值,，如果超出這個(gè)數(shù)值很大，則說(shuō)明壓敏電阻已損

壓敏電阻標(biāo)稱參數(shù)
壓敏電阻用字母“MY”表示,，如加J為家用,，后面的字母W、G,、P,、L、H,、Z,、B、C,、N,、K分別用于穩(wěn)壓、過(guò)壓保護(hù),、高頻電路、防雷、滅弧,、消噪,、補(bǔ)償、消磁,、高能或高可靠等方面,。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流,，在用作過(guò)壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn),。壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量?jī)蓚€(gè)參數(shù),。

　　1,、所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓,。指在規(guī)定電流下的電壓值,，大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測(cè)得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等,?？筛鶕?jù)具體需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC,，式中,，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值,。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的,，它關(guān)系到保護(hù)效果與使用壽命。如一臺(tái)用電器的額定電源電壓為220V,，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476V,，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間,。

　　2,、所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25℃情況下,，對(duì)于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言,，壓敏電壓的變化不超過(guò)± 10％時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長(zhǎng)器件的使用壽命,，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量,。然而從保護(hù)效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些好,。在許多情況下,，實(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計(jì)算的,，則選用2－20KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿足使用要求時(shí),，可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用,，并聯(lián)后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和,。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同,，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。
壓敏電阻器的應(yīng)用原理
壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件,，可以用來(lái)代替瞬態(tài)抑制二極管,、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對(duì)IC及其它設(shè)備的電路進(jìn)行保護(hù),，防止因靜電放電,、浪涌及其它瞬態(tài)電流（如雷擊等）而造成對(duì)它們的損壞。使用時(shí)只需將壓敏電阻器并接于被保護(hù)的IC或設(shè)備電路上,，當(dāng)電壓瞬間高于某一數(shù)值時(shí),，壓敏電阻器阻值迅速下降，導(dǎo)通大電流,，從而保護(hù)IC或電器設(shè)備,；當(dāng)電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時(shí)，壓敏電阻器阻值極高,，近乎開(kāi)路,，因而不會(huì)影響器件或電器設(shè)備的正常工作。

壓敏電阻的選用
選用壓敏電阻器前,，應(yīng)先了解以下相關(guān)技術(shù)參數(shù)：標(biāo)稱電壓是指在規(guī)定的溫度和直流電流下,，壓敏電阻器兩端的電壓值。漏電流是指在25℃條件下,，當(dāng)施加最大連續(xù)直流電壓時(shí),，壓敏電阻器中流過(guò)的電流值。等級(jí)電壓是指壓敏電阻中通過(guò)8／20等級(jí)電流脈沖時(shí)在其兩端呈現(xiàn)的電壓峰值,。通流量是表示施加規(guī)定的脈沖電流（8／20μs）波形時(shí)的峰值電流,。浪涌環(huán)境參數(shù)包括最大浪涌電流Ipm（或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo）、浪涌脈沖寬度Tt,、相鄰兩次浪涌的最小時(shí)間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預(yù)定工作壽命期內(nèi),，浪涌脈沖的總次數(shù)N等。
3.1 標(biāo)稱電壓選取
一般地說(shuō),，壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用,，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱電壓,，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí),，也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓,，該最大連續(xù)工作電壓值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓值即為選用值。對(duì)于過(guò)壓保護(hù)方面的應(yīng)用,，壓敏電壓值應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值,，一般應(yīng)使用下式進(jìn)行選擇：
VmA＝av／bc
式中：a為電路電壓波動(dòng)系數(shù),，一般取1.2,；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)為有效值）；b為壓敏電壓誤差,，一般取0.85,；c為元件的老化系數(shù)，一般取0.9,；
這樣計(jì)算得到的VmA實(shí)際數(shù)值是直流工作電壓的1．5倍,，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)擴(kuò)大1．414倍,。另外,，選用時(shí)還必須注意：
(1) 必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續(xù)工作電壓也不會(huì)超過(guò)最大允許值,，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命,；
(2) 在電源線與大地間使用壓敏電阻時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線與地之間電壓上升,，所以通常采用比線與線間使用場(chǎng)合更高標(biāo)稱電壓的壓敏電阻器,。
壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。
應(yīng) 用
電路浪涌和瞬變防護(hù)時(shí)的電路,。對(duì)于壓敏電阻的應(yīng)用連接,，大致可分為四種類型：
第一種類型是電源線之間或電源線和大地之間的連接，作為壓敏電阻器,，最具有代表性的使用場(chǎng)合是在電源線及長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)線遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖等情況下對(duì)電子產(chǎn)品起保護(hù)作用,。一般在線間接入壓敏電阻器可對(duì)線間的感應(yīng)脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對(duì)傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效,。若進(jìn)一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來(lái),，則可對(duì)浪涌脈沖有更好的吸收作用。
第二種類型為負(fù)荷中的連接,，它主要用于對(duì)感性負(fù)載突然開(kāi)閉引起的感應(yīng)脈沖進(jìn)行吸收,，以防止元件受到破壞。一般來(lái)說(shuō),，只要并聯(lián)在感性負(fù)載上就可以了,，但根據(jù)電流種類和能量大小的不同，可以考慮與R－C串聯(lián)吸收電路合用,。
第三種類型是接點(diǎn)間的連接,，這種連接主要是為了防止感應(yīng)電荷開(kāi)關(guān)接點(diǎn)被電弧燒壞的情況發(fā)生,，一般與接點(diǎn)并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。
　　第四種類型主要用于半導(dǎo)體器件的保護(hù)連接,，這種連接方式主要用于可控硅,、大功率三極管等半導(dǎo)體器件，一般采用與保護(hù)器件并聯(lián)的方式,，以限制電壓低于被保護(hù)器件的耐壓等級(jí),，這對(duì)半導(dǎo)體器件是一種有效的保護(hù)。

4 氧化鋅壓敏電阻存在的問(wèn)題
　　現(xiàn)有壓敏電阻在配方和性能上分為相互不能替代的兩大類：
4.1 高壓型壓敏電阻
高壓型壓敏電阻,，其優(yōu)點(diǎn)是電壓梯度高（100～250V/mm）,、大電流特性好（V10kA/V1mA≤1.4）但僅對(duì)窄脈寬(2≤ms)的過(guò)壓和浪涌有理想的防護(hù)能力，能量密度較小,，（50～300）J/cm3,。
4.2 高能型壓敏電阻
高能型壓敏電阻，其優(yōu)點(diǎn)是能量密度較大（300J/cm3～750J/cm3）,，承受長(zhǎng)脈寬浪涌能力強(qiáng),，但電壓梯度較低（20V/mm～500V/mm），大電流特性差（V10kA/V1mA>2.0）,。
　　這兩種配方的性能差別造成了許多應(yīng)用上的“死區(qū)”,，在10kV電壓等級(jí)的輸配電系統(tǒng)中廣泛采用了真空開(kāi)關(guān)，由于它動(dòng)作速度快,、拉弧小,，會(huì)在操作瞬間造成極高過(guò)壓和浪涌能量，如果選用高壓型壓敏電阻加以保護(hù)（如避雷器）,，雖然它電壓梯度高,、成本較低，但能量容量小,，容易損壞,；如果選用高能型壓敏電阻，雖然它能量容量大,，壽命較長(zhǎng),，但電壓梯度低，成本太高,，是前者的5～13倍,。
　　在中小功率變頻電源中，過(guò)壓保護(hù)的對(duì)象是功率半導(dǎo)體器件,，它對(duì)壓敏電阻的大電流特性和能量容量的要求都很嚴(yán)格,，而且要同時(shí)做到元件的小型化。高能型壓敏電阻在能量容量上可以滿足要求,，但大電流性能不夠理想,，小直徑元件的殘壓比較高,，往往達(dá)不到限壓要求；高壓型壓敏電阻的大電流特性較好,，易于小型化,，但能量容量不夠，達(dá)不到吸能要求,。中小功率變頻電源在這一領(lǐng)域壓敏電阻的應(yīng)用幾乎還是空白,。