壓敏電阻工作原理

 

一、壓敏電阻工作原理

壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。
     壓敏電阻的響應時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。
     壓敏電阻的壓敏電壓（min(U1mA)）、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(1.8～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應用時，有適當的安全裕度。在信號回路中時，應當有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據防雷電路的設計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設計的通流容量。
壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。
壓敏電阻的失效模式主要是短路，當通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會下降。因此由壓敏電阻構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。
     在消費類電子產品中，為了追求較小的安裝面積，壓敏電阻做成疊層型，稱為Multi-layer Varistor(MLV),其結構與疊層型的瓷片電容（MLCC）完全相同，只是叉指電極間的材料不是普通的陶瓷電介質，而是ZnO壓敏材料。也因為如此，MLV都是具有一定的電容特性的，甚至可以根據需要定制具有某種容量的MLV，這對于防護設計中兼顧EMI設計是非常有利的。
     由于做成疊層結構后，MLV的電極寄生電感非常小，因此其反應速度與TVS不相伯仲，甚至比某些采用Bonding結構的TVS的速度還要快。
     在電流容量上，得益于疊層結構，MLV的通流能力也要比相同體積的TVS大得多。
     MLV的鉗位特性曲線不如TVS陡峭，不能實現精確的鉗位；MLV在多次大電流沖擊后，性能會出現一定程度的退化，主要表現是漏電流增大，鉗位電壓有所變化。不過，如果MLV僅用于ESD防護，上述兩個缺點對防護效果的影響是很小的。這也是為什么MLV能在手機、數碼相機等領域大行。  
     氧化鋅壓敏電阻與被保護的電器設備或者元器件并聯使用。當電路中出現雷電過電壓或瞬態操作電壓VS時，壓敏電阻器和被保護的設備及元器件同時承受VS，由于壓敏電阻器響應速度很快，它以納秒級時間迅速呈現優良非線形導電特性，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠遠小于VS，這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低于過電壓VS，從而使設備及元器件免遭過電壓的沖擊.

二、壓敏電阻常見問題

1、壓敏電阻的安全性問題： 

　　在以往的應用中，跨接在電源線上的壓敏電阻器出現過起火燃燒，危機臨近其它元器件的事故。對此，制造者和使用者共同進行了大量研究和分析工作，采取了相應的對策，極大地降低了這類事故的概率，但尚未杜絕，因此，壓敏電阻的使用安全性仍是個值得重視、需要繼續研究解決的課題。 
　　壓敏電阻起火燃燒的表觀現象，大體上可分為老化失效和暫態過電壓破壞兩種類型。 
　　①老化失效，這是指電阻體的低阻線性化逐步加劇，漏電流惡性增加且集中流入薄弱點，薄弱點材料融化，形成1kΩ左右的短路孔后，電源繼續推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。這種事故通常可以通過一個與壓敏電阻串聯的熱熔接點來避免。熱熔接點應與電阻體有良好的熱耦合，當最大沖擊電流流過時不會斷開，但當溫度超過電阻體上限工作溫度時即斷開。研究結果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發生早期失效， 強度不大的電沖擊的多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現。 
　　②暫態過電壓破壞，這是指較強的暫態過電壓使電阻體穿孔，導致更大的電流而高熱起火。整個過程在較短時間內發生，以至電阻體上設置的熱熔接點來不及熔斷。在三相電源保護中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火的事故概率較高，多數是屬于這一種情況。相應的對策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應用技術資料中，推薦與壓敏電阻串聯電流熔絲（保險絲）進行保護。

2、壓敏電阻的連接線問題 

　　將壓敏電阻接入電路的連接線要足夠粗，推薦的連接線的尺寸注：接地線為5.5 mm2以上連接線要盡可能短，且走直線，因為沖擊電流會在連接線電感上產生附加電壓，使被保護設備兩端的限制電壓升高。 
壓敏電阻通流量 ≤600A   (600～2500)A ( 2500～4000)A (4000～20K)A 
導線截面積     ≥ 0.3 mm2 ≥ 0.5 mm2     ≥ 0.8 mm2     ≥ 2 mm2 
　　例如：若壓敏電阻MY兩端各有3 cm長的接線，它的電感量L大體為18 nH，若有10 KA的8/20沖擊電流流入壓敏電阻，把電流的升速看作10KA / 8Μs，則引線電感上的附加電壓UL1、UL2大體為 
UL1= UL2=L(di/dt)=18×10-9( 10×103 / 8×10-6 )=22.5 V 
這就使限制電壓增高了45V。 

3、壓敏電阻的串聯和配對 

　　壓敏電阻可以很簡單地串聯使用。將兩只電阻體直徑相同（通流量相同）的壓敏電阻串聯后，漆壓敏電壓、持續工作電壓和限制電壓相加，而通流量指標不變。例如在高壓電力避雷器中，要求持續工作電壓高達數千伏，數萬伏，就是將多個ZnO壓敏電阻閥片迭和起來（串聯）而得到的。 
　　壓敏電阻可以并聯，目的是獲得更大的通流量，或者在沖擊電流峰值一定的條件下減小電阻體中的電流密度，以降低限制電壓。 
　　當要求獲得極大的通流量［ 例如8/20，（50～200）KA ］，且壓敏電壓又比較低（例如低于200V）時，電阻體的直徑 / 厚度比太大，在制造技術上有困難，且隨著電阻體直徑的加大，電阻體的微觀均勻性變差，因此通流量不可能隨電阻體面積成比例地增大。這是用較小直徑的電阻片并聯可能是個更合理的方法。 
由于高非線性，壓敏電阻片的并聯需要特別小心謹慎，只有經過仔細配對，參數相同的電阻片相并聯，才能保證電流在各電阻片之間均勻分配。針對這種需求，本公司專門為用戶提供配對的電阻片。 
此外，縱向連結的幾個壓敏電阻器，使用經過配對的參數一致的壓敏電阻器后，當沖擊侵入時，出現在橫向的電壓差可以很小。在這種情況下，配對也是有意義的。 

4、壓敏電阻與氣體放電器件的串聯和并聯 

　　壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯（圖10.5a），這個串聯組合的正常工作要滿足兩個基本條件：①、系統電壓上限值應低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓；②、G點火后在系統電壓上限值下，壓敏電阻MY中的電流應小于G的電弧維持電流，以保證G的熄弧。 
這種串聯組合具有電容量小，工作頻率高；漏電流極小安全性好；以及不存在壓敏電阻MY在系統電壓下老化的問題，因而可靠性高等優點，但同時也有氣體放電器件相應慢所引起的"讓通電壓"問題。 
壓敏電阻也可與氣體放電管并聯，以降低氣體放電管的沖擊點火電壓。

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