氧化鋅壓敏電阻器的原理及應(yīng)用

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"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)”。

　　一、氧化鋅壓敏電阻器微觀結(jié)構(gòu)及特性

　　氧化鋅壓敏電阻器是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、經(jīng)典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。它的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。氧化鋅陶瓷是由氧化鋅晶粒及晶界物質(zhì)組成的，其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N型半導(dǎo)體，晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，這樣每一微觀單元是一個(gè)背靠背肖特基勢(shì)壘，整個(gè)陶瓷就是由許多背靠背肖特基墊壘串并聯(lián)的組合體。圖2是壓敏電阻器的等效電路。

　　氧化鋅壓敏電阻器的典型V-I特性曲線如圖3所示：

　　預(yù)擊穿區(qū)：在此區(qū)域內(nèi)，施加于壓敏電阻器兩端的電壓小于其壓敏電壓，其導(dǎo)電屬于熱激發(fā)電子電導(dǎo)機(jī)理。因此，壓敏電阻器相當(dāng)于一個(gè)10MΩ以上的絕緣電阻 (Rb遠(yuǎn)大于Rg)，這時(shí)通過壓敏電阻器的阻性電流僅為微安級(jí)，可看作為開路。該區(qū)域是電路正常運(yùn)行時(shí)壓敏電阻器所處的狀態(tài)。

　　擊穿區(qū)：壓敏電阻器兩端施加一大于壓敏電壓的過電壓時(shí)，其導(dǎo)電屬于隧道擊穿電子電導(dǎo)機(jī)理(Rb與Rg相當(dāng))，其伏安特性呈優(yōu)異的非線性電導(dǎo)特性，即：
　I=CVα

　　其中 I通過壓敏電阻器的電流 C與配方和工藝有關(guān)的常數(shù)

　　V壓敏電阻器兩端的電壓 α為非線性系數(shù)，一般大于30

　　由上式可見，在擊穿區(qū)，壓敏電阻器端電壓的微小變化就可引起電流的急劇變化，壓敏電阻器正是用這一特性來抑制過電壓幅值和吸收或?qū)Φ蒯尫胚^電壓引起的浪涌能量。

　　上升區(qū)：當(dāng)過電壓很大，使得通過壓敏電阻器的電流大于約100A/cm2時(shí)，壓敏電阻器的伏安特性主要由晶粒電阻的伏安特性來決定。此時(shí)壓敏電阻器的伏安特性呈線性電導(dǎo)特性，即：

　　I=V/Rg

　　上升區(qū)電流與電壓幾乎呈線性關(guān)系，壓敏電阻器在該區(qū)域已經(jīng)劣化，失去了其抑制過電壓、吸收或釋放浪涌的能量等特性。

　　根據(jù)壓敏電阻器的導(dǎo)電機(jī)理，其對(duì)過電壓的響應(yīng)速度很快，如帶引線式和專用電極產(chǎn)品，一般響應(yīng)時(shí)間小于25納秒。因此只要選擇和使用得當(dāng)，壓敏電阻器對(duì)線路中出現(xiàn)的瞬態(tài)過電壓有優(yōu)良的抑制作用，從而達(dá)到保護(hù)電路中其它元件免遭過電壓破壞的目的。

　　二、特點(diǎn)

　　(1) 通流容量大

　　(2) 限制電壓低

　　(3) 響應(yīng)速度快

　　(4) 無續(xù)流

　　(5) 對(duì)稱的伏安特性(即產(chǎn)品無極性)

　　(6) 電壓溫度系數(shù)低

　　三、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用及注意事項(xiàng)

　　1、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用原理

　　壓敏電阻器與被保護(hù)的電器設(shè)備或元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過電壓或瞬態(tài)操作過電壓Vs時(shí)，壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備及元器件同時(shí)承受Vs，由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線性導(dǎo)電特性(見圖3中擊穿區(qū))，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs，這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過電壓Vs，從而使設(shè)備及元器件免遭過電壓的沖擊。

　　2、氧化鋅壓敏電阻器的參數(shù)選擇

　　根據(jù)被保護(hù)電源電壓選擇壓敏電阻器的規(guī)定電流下的電壓V1mA。一般選擇原則為：

　　對(duì)于直流回路：V1mA≥2.0VDC

　　對(duì)于交流回路：V1mA≥2.2V有效值

　　如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓V1mA較低、片徑較大的壓敏電阻器;如果Vo較高，則可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備，又能延長(zhǎng)壓敏電阻使用壽命。3、氧化鋅壓敏電阻器的使用方法
　壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護(hù)元件，無論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護(hù)電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的(如圖4所示)

　　當(dāng)過電壓幅值高于規(guī)定電流下的電壓，過電流幅值小于壓敏電阻器的最大峰值電流時(shí)(若無壓敏電阻器足以使設(shè)備元器件破壞)，壓敏電阻器處于擊穿區(qū)，可將過電壓瞬時(shí)限制在很低的幅值上，此時(shí)通過壓敏電阻器的浪涌電流幅值不大(<100A/cm2),不足以對(duì)壓敏電阻器產(chǎn)生劣化;當(dāng)過電壓幅值很高時(shí)，壓敏電阻器將過電壓限制在較低的水平上(小于設(shè)備的耐壓水平)，同時(shí)通過壓敏電阻器的沖擊電流很大，使壓敏電阻器性能劣化即將失效，這時(shí)通過熔斷器的電流很大，熔斷器斷開，這樣既可使電器設(shè)備、元器件免受過電壓沖擊，也可避免由于壓敏電阻器的劣化擊穿造成線路L-N、L-PE之間短路(推薦的熔斷器規(guī)格見表 1)。

　　壓敏電阻器在電路的過電壓防護(hù)中，如果正常工作在圖3的預(yù)擊穿區(qū)和擊穿區(qū)，理論上是不會(huì)損壞的。但由于壓敏電阻器要長(zhǎng)期承受電源電壓，電路中暫態(tài)過電壓、超能量過電壓隨機(jī)的不斷沖擊及吸收電路儲(chǔ)能元件釋放能量，因此，壓敏電阻器也是會(huì)損壞的，它的壽命根據(jù)所在電路經(jīng)受的過電壓幅值和能量的不同而不同。

　　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。

　　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電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過電壓的出現(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，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。

　　電路功能用壓敏電阻

　　壓敏電阻主要應(yīng)用于瞬態(tài)過電壓保護(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