壓敏電阻的工作原理解析

什么是壓敏電阻器?它的工作原理是什么?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。現(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”。

對于我們設(shè)備中使用的壓敏電阻，原選用型號為 14D101K，實(shí)際運(yùn)行 3 個(gè)月中，此型號壓敏電阻經(jīng)常燒毀。后改為 14D121K，實(shí)際運(yùn)行 3 個(gè)月，沒有發(fā)現(xiàn)燒壞。所以，為指導(dǎo)以后工作，整理并學(xué)習(xí)此資料，并在整理過程中，發(fā)現(xiàn)壓敏電阻不應(yīng)該直接并接在元件的輸入端。具體壓敏電阻的資料如下：

一、壓敏電阻的原理

壓敏電阻意思是“在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變”，或者是說“電阻值對電壓敏感”的阻器。相應(yīng)的英文名稱叫“VoltageDependentResistor”簡寫為“VDR”。

隨著加在它上面的電壓不斷增大，它的電阻值可以從 MΩ(兆歐)級變到 mΩ(毫歐)級。當(dāng)電壓較低時(shí)，壓敏電阻工作于漏電流區(qū)，呈現(xiàn)很大的電阻，漏電流很小;當(dāng)電壓升高進(jìn)入非線性區(qū)后，電流在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓變化不大，呈現(xiàn)較好的限壓特性;電壓再升高，壓敏電阻進(jìn)入飽和區(qū)，呈現(xiàn)一個(gè)很小的線性電阻，由于電流很大，時(shí)間一長就會使壓敏電阻過熱燒毀甚至炸裂。正常使用時(shí)壓敏電阻處于漏電流區(qū)，受到浪涌沖擊時(shí)進(jìn)入非線性區(qū)泄放浪涌電流，一般不能進(jìn)入飽和區(qū)

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”。

二、壓敏電阻的作用

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)，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過 UN 時(shí)，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。

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 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，近乎開路，因而不會影響器件或電器設(shè)備的正常工作。

三、壓敏電阻的標(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，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。

四、壓敏電阻的特性參數(shù)

①壓敏電壓 UN(U1mA)：通常以在壓敏電阻上通過 1mA 直流電流時(shí)的電壓來表示其是否導(dǎo)通的標(biāo)志電壓，這個(gè)電壓就稱為壓敏電壓 UN。壓敏電壓也常用符號 U1mA 表示。壓敏電壓的誤差范圍一般是±10%。在試驗(yàn)和實(shí)際使用中，通常把壓敏電壓從正常值下降 10%作為壓敏電阻失效的判據(jù)。

②最大持續(xù)工作電壓 UC：指壓敏電阻能長期承受的最大交流電壓(有效值)Uac 或最大直流電壓 Udc。一般 Uac≈0.64U1mA，Udc≈0.83U1mA。

③通流量(最大沖擊電流)IP：指壓敏電阻能夠承受的 8/20μs 波的最大沖擊電流峰值?！澳軌虺惺堋钡暮x是，沖擊后壓敏電壓的變化率不大于 10%。現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)格書中通常都給出了沖擊 1 次的 IP 值。

④最大箝位電壓(限制電壓)VC：技術(shù)規(guī)格書中給出的最大箝位電壓值是指給壓敏電阻施加規(guī)定的 8/20μs 波沖擊電流 IX(A)時(shí)壓敏電阻上呈現(xiàn)的電壓。

實(shí)際使用中，壓敏電壓越高，施加的沖擊電流越大，限制電壓(或稱殘壓)就越高，可從產(chǎn)品給出的 V-I 曲線上查到。

⑤額定能量 E：額定能量是指壓敏電阻能夠承受規(guī)定波形的沖擊電流沖擊一次的最大能量(沖擊后壓敏電壓的變化率不大于 10%)，可用下式表示：

E=K*IP*VC*T

式中：IP、VC 見上，T 為脈沖寬度，K 為與波形有關(guān)的常數(shù)。對于 8/20μs 波和 10/1000μs 波，K=1.4;對于 2ms 方波，K=1。

⑥額定功率(最大平均功率)Pm：指壓敏電阻在室溫下，連續(xù)承受多次沖擊，且各次沖擊之間間隔時(shí)間較短，因而有熱積累效應(yīng)的情況下，能夠承受的最大平均功率。盡管壓敏電阻能承受很大的脈沖功率，但能承受的平均功率卻很小。

⑦電容 C0：指壓敏電阻兩電極間呈現(xiàn)的電容，在幾 pF～幾百 nF 的范圍內(nèi)。體積越小，壓敏電壓越高，電容越小。

⑧漏電流 Il：給壓敏電阻施加最大直流電壓 Udc 時(shí)流過的電流。測量漏電流時(shí)，通常給壓敏電阻加上 Udc=0.83U1mA 的電壓(有時(shí)也用 0.75U1mA)。一般要求靜態(tài)漏電流 Il≤20μA(也有要求≤10μA 的)。在實(shí)際使用中，更關(guān)心的不是靜態(tài)漏電流值本身的大小，而是它的穩(wěn)定性，即在沖擊試驗(yàn)后或在高溫條件下的變化率。在沖擊試驗(yàn)后或在高溫條件下其變化率不超過一倍，即認(rèn)為是穩(wěn)定的。

⑨非線性指數(shù)α：指電壓的變化對電流的影響能力，可用公式表示為：

I=KUα或α=loglog

由前式可見，α越大表明電壓的變化對電流的影響能力越大，非線性特性越好。由后式可見，α是伏安特性上各點(diǎn)斜率的倒數(shù)，特性越平坦的地方，α越大(漏電流區(qū)和飽和區(qū)α=1，又稱低α區(qū))。用儀器測量時(shí)，一般設(shè)定 I2=1mA，I1=0.1mA，所以

αT=1/log(U1mA/U0.1mA)

五、壓敏電阻的降額特性

對壓敏電阻進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，隨著所要進(jìn)行的沖擊次數(shù)的增加，每次所施加的沖擊電流要相應(yīng)地減小。例如：Ф20 基片的標(biāo)準(zhǔn)壓敏電阻(U1mA≥82V 的)，其降額特性如下表所示(可從廠家給出的浪涌壽命次數(shù)定額曲線中查到)：

允許沖擊次數(shù) 1 次 2 次 10 次 100 次 1000 次 10000 次

每次沖擊電流 6500A4000A2000A1000A430A200A

六、壓敏電阻的測量

測量時(shí)將萬用表置 10k 檔，表筆接于電阻兩端，萬用表上應(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，則說明壓敏電阻已損

七、壓敏電阻的選型

壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓 V1mA 和通流容量兩個(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)測得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從 10-9000V 不等。可根據(jù)具體需要正確選用。一般 1mA=“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××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±10%時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命，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。

八、壓敏電阻的使用

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，常用于電源過壓保護(hù)和穩(wěn)壓。

電源防雷器的可靠性、安全性在很大程度上依賴于壓敏電阻的正確使用，以下原則可供使用參考。特別要指出的是，在電源防雷設(shè)計(jì)中還要考慮各個(gè)地方的電源質(zhì)量差別、雷擊頻度和強(qiáng)度的差別、被保護(hù)設(shè)備的安裝使用情況和沖擊耐受能力等的差別，不能用一個(gè)公式照搬照套。設(shè)計(jì)好的防雷保護(hù)裝置必須在現(xiàn)場使用條件下或盡可能接近真實(shí)情況的模擬條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

①壓敏電壓的計(jì)算：

一般可用下式計(jì)算：

U1mA=KUac

式中：K 為與電源質(zhì)量有關(guān)的系數(shù)，一般取 K=(2～3)，電源質(zhì)量較好的城市可取小些，電源質(zhì)量較差的農(nóng)村(特別是山區(qū))可取大些。Uac 為交流電源電壓有效值。對于 220V～240V 交流電源防雷器，應(yīng)選用壓敏電壓為 470V～620V 的壓敏電阻較合適。選用壓敏電壓高一點(diǎn)的壓敏電阻，可以降低故障率，延長使用壽命，但殘壓略有增大。

②標(biāo)稱放電電流的計(jì)算：

壓敏電阻的標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于要求承受的浪涌電流或每年可能出現(xiàn)的最大浪涌電流。標(biāo)稱放電電流應(yīng)按壓敏電阻浪涌壽命次數(shù)定額曲線中沖擊 10 次以上的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，約為最大沖擊通流量的 30%(即 0.3IP)左右。

③壓敏電阻的并聯(lián)：

當(dāng)一個(gè)壓敏電阻滿足不了標(biāo)稱放電電流的要求時(shí)，應(yīng)采用多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)使用。有時(shí)為了降低限制電壓，即使標(biāo)稱放電電流滿足要求也采用多個(gè)壓敏電阻并聯(lián)。要特別注意的是，壓敏電阻并聯(lián)使用時(shí)，一定要嚴(yán)格挑選參數(shù)一致的(例如：ΔU1mA≤3V，Δα≤3)進(jìn)行配對，以保證電流的均勻分配。

九、壓敏電阻使用時(shí)的注意事項(xiàng)

壓敏電阻的失效模式通常是短路，為了防止壓敏電阻的失效造成電源短路而起火，可以在每個(gè)壓敏電阻上串聯(lián)一個(gè)溫度保險(xiǎn)管或熱脫離機(jī)構(gòu)。溫度保險(xiǎn)管應(yīng)與壓敏電阻有良好的熱耦合，當(dāng)壓敏電阻失效(高阻抗短路)時(shí)，它所產(chǎn)生的熱量把溫度保險(xiǎn)管熔斷，從而使失效的壓敏電阻與電路分離，確保設(shè)備的安全。當(dāng)較高的工頻暫時(shí)過電壓作用在壓敏電阻上時(shí)，可能使壓敏電阻瞬間擊穿短路(低阻抗短路)，而溫度保險(xiǎn)管還來不及熔斷，還可能起火。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，可在每個(gè)壓敏電阻上再串聯(lián)一個(gè)耐沖擊工頻保險(xiǎn)絲(單用工頻保險(xiǎn)絲則在老化失效時(shí)可能不熔斷)。

也可以把壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)使用，正常工作時(shí)陶瓷氣體放電管不導(dǎo)通，壓敏電阻沒有漏電流，可以大大延長使用壽命;受浪涌沖擊時(shí)，陶瓷氣體放電管首先擊穿，然后由壓敏電阻限制浪涌電壓，總的殘壓為兩者之和，略有增大(幾十伏);沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導(dǎo)通而熄弧，恢復(fù)為正常工作狀態(tài);當(dāng)壓敏電阻短路失效后，因陶瓷氣體放電管流過很大的工頻電流也會很快失效，但它的失效模式絕大多數(shù)是開路，因而不易引起火災(zāi)。

所以，我們設(shè)備中壓敏電阻的選型基本沒有錯(cuò)誤，根據(jù)公式，應(yīng)該選取壓敏電壓即標(biāo)稱電壓為 130V 的壓敏電阻，根據(jù)就上不就下的原則，實(shí)際應(yīng)該選取 14D151 型號。而且，在實(shí)際使用方法上，我們不應(yīng)該直接將壓敏電阻并接，根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)該把壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)使用。以上就是壓敏電阻器的工作原理解析，需要工程師在設(shè)計(jì)中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。