【導(dǎo)讀】壓敏電阻廣泛的被應(yīng)用在電子線路中，用來(lái)防護(hù)因電力供應(yīng)系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓突變可能對(duì)電路造成的傷害。本次大講臺(tái)主要講解壓敏電阻的原理、選型注意事項(xiàng)，同時(shí)分析一些壓敏電阻的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)實(shí)例，使大家對(duì)壓敏電阻有更深入的了解。
目前壓敏電阻絕大多數(shù)為氧化鋅壓敏電阻，本文就不要以氧化鋅壓敏電阻來(lái)介紹原理、選型以及應(yīng)用實(shí)例。
壓敏電阻的原理
ZnO壓敏電阻實(shí)際上是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當(dāng)于一只小電容器，而當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有效地保護(hù)了電路中的其它元器件不致過(guò)壓而損壞。
它的伏安特性是對(duì)稱的，如圖(1)a 所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的，它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如圖(1)b 所示。微觀結(jié)構(gòu)中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍的晶界層。氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個(gè)晶粒之間形成了一個(gè)相當(dāng)于齊納二極管的勢(shì)壘，這就是一壓敏電阻單元，每個(gè)單元擊穿電壓大約為3.5V，如果將許多的這種單元加以串聯(lián)和并聯(lián)就構(gòu)成了壓敏電阻的基體。串聯(lián)的單元越多，其擊穿電壓就超高，基片的橫截面積越大，其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時(shí)，每個(gè)壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量，而不象齊納二極管那樣只是結(jié)區(qū)承受電功率， 這就是壓敏電阻為什么比齊納二極管能承受大得多的電能量的原因。
圖1 壓敏電阻伏安特性
壓敏電阻在電路中通常并接在被保護(hù)電器的輸入端，如圖(2)所示。
圖2 壓敏電阻在電路中通常并接在被保護(hù)電器的輸入端
壓敏電阻的Zv與電路總阻抗（包括浪涌源阻抗Zs）構(gòu)成分壓器，因此壓敏電阻的限制電壓為 V=VsZv/(Zs+Zv)。Zv的阻值可以從正常時(shí)的兆歐級(jí)降到幾歐，甚至小于1Ω。由此可見Zv在瞬間流過(guò)很大的電流，過(guò)電壓大部分降落在Zs上， 而用電器的輸入電壓比較穩(wěn)定，因而能起到的保護(hù)作用。圖(3)所示特性曲線可以說(shuō)明其保護(hù)原理。直線段是總阻抗Zs，曲線是壓敏電阻的特性曲線，兩者相交 于點(diǎn)Q，即保護(hù)工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的限制電壓為V，它是使用了壓敏電阻后加在用電器上的工作電壓。Vs為浪涌電壓，它已超過(guò)了用電器的耐壓值VL，加上壓敏電阻 后，用電器的工作電壓V小于耐壓值VL，從而有效地保護(hù)了用電器。不同的線路阻抗具有不同的保護(hù)特性，從保護(hù)效果來(lái)看，Zs越大，其保護(hù)效果就越好，若 Zs=0，即電路阻抗為零，壓敏電阻就不起保護(hù)作用了。圖(4)所描述的曲線可以說(shuō)明Zs與保護(hù)特性之間的關(guān)系。
圖3 壓敏電阻特性曲線
圖4 Zs與保護(hù)特性之間的關(guān)系
[page]壓敏電阻的設(shè)計(jì)與選型
壓敏電阻的選用原則：瞻前顧后，符合標(biāo)準(zhǔn)，折中考慮，實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)。具體來(lái)說(shuō)，瞻前需考慮到：系統(tǒng)電壓正常波動(dòng)范圍的上限值，故障套件下的最高暫態(tài)電壓及其持續(xù)時(shí)間；沖擊源的沖擊電壓峰值和源阻抗（或沖擊電流），沖擊的時(shí)間寬度及頻率等；顧后即考慮到：被保護(hù)對(duì)象的耐壓水平；被保護(hù)對(duì)象允許的壓敏電阻的固有電容和阻性漏電流。
瞻前顧后的基本要求為：在預(yù)期的沖擊源的最大沖擊電壓下，壓敏電阻的限制電壓，應(yīng)低于被保護(hù)對(duì)象的沖擊耐壓值；在系統(tǒng)電壓正常波動(dòng)范圍的上限值和故障以及最高環(huán)境溫度條件下，壓敏電阻的預(yù)期工作壽命時(shí)間應(yīng)大于設(shè)計(jì)要求值；壓敏電阻的通流量，額定能量，功耗應(yīng)大于沖擊源預(yù)訂的最大沖擊電流，沖擊能量和平均功耗，在規(guī)定條件下，壓敏電阻的沖擊壽命次數(shù)應(yīng)大于壽命期內(nèi)沖擊源的沖擊次數(shù)；在系統(tǒng)電壓和沖擊源發(fā)生超過(guò)預(yù)期值的異常情況時(shí)，壓敏電阻不會(huì)起火，不會(huì)發(fā)生危及鄰近元器件的爆裂，且沒(méi)有導(dǎo)致點(diǎn)擊的危險(xiǎn)；壓敏電阻的電容量和非線性電流對(duì)被保護(hù)對(duì)象或系統(tǒng)的影響，應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。
符合標(biāo)準(zhǔn)即符合相關(guān)的安規(guī)測(cè)試。 折中考慮即在壓敏電阻應(yīng)用中，有些要求是互相矛盾的，因此要折中考慮，例如限制電壓和電壓壽命對(duì)壓敏電壓的要有時(shí)是矛盾的，保護(hù)的可靠度與保護(hù)的成本有時(shí)是矛盾的。
實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)即在選定壓敏電壓后，還需在現(xiàn)場(chǎng)作用條件下或者盡可能的接近真實(shí)情況來(lái)模擬環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在驗(yàn)證中需檢測(cè)在正常工作條件下壓敏電阻對(duì)被保護(hù)對(duì)象的影響程度是否在允許的范圍，進(jìn)行模擬沖擊實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)過(guò)壓保護(hù)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。
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。
又如在AC220V線間使用（暫不考慮能量和耐量）,設(shè)電源電壓波動(dòng)系數(shù)為0.8～1.3，在最壞情況下，壓敏電阻器兩端的電壓可達(dá)220×1.3=286V，從額定值可以查出應(yīng)選擇的壓敏電阻規(guī)格為471K。對(duì)于普通一次電源，如果輸入電壓范圍Vin=85-264Vac，依照我司壓敏電阻電壓降額要求0.9,可知電壓可達(dá)264/0.9=293Vac, 即至少選取300Vac（471K）；
值得注意的是：第一，必須保證在電壓波動(dòng)最大的時(shí)候，連續(xù)工作電壓也不允許超過(guò)最大允許值，否則將縮短了壓敏電阻器的使用壽命；
第二，在電源線與大地使用壓敏電阻時(shí)，有時(shí)由于接觸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)合更高壓敏電壓的壓敏電阻；
第三，壓敏電阻的壽命特性有兩項(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)能可靠地工作規(guī)定的時(shí)間（小時(shí)數(shù)）。二是沖擊壽命，即能可靠地承受規(guī)定的沖擊的次數(shù)；
第四，在應(yīng)用中，壓敏電阻器所吸收的浪涌電流要小于產(chǎn)品的最大通流量，以使產(chǎn)品有較長(zhǎng)的工作壽命；
第五，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。
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：
V1.0mA＝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V1.0mA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：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；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。
設(shè)計(jì)，選型，替代注意：設(shè)計(jì)選型時(shí)選取合適壓敏電壓，使用電壓，通流量的壓敏電阻，并需考慮到降額要求，目前我司的壓敏電阻最大工作電壓降額要求為90%.
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壓敏電阻的失效模式
壓敏電阻的失效模式有三種方式：
第一種劣化，表現(xiàn)在漏電流增大，壓敏電壓顯著下降，直至為零。
第二種炸裂，若過(guò)電壓引起的浪涌能量太大，超過(guò)了選的壓敏電阻器極限的承受能力，則壓敏電阻器在抑制過(guò)電壓時(shí)將會(huì)發(fā)生陶瓷炸裂現(xiàn)象。
第三種穿孔，若過(guò)電壓峰值特別高，導(dǎo)致壓敏電阻器的失效模式絕大部分表現(xiàn)為劣化各穿孔（短路），解決的辦法為在使用壓敏電阻器時(shí)，與之串聯(lián)一個(gè)合適的斷路器或者保險(xiǎn)絲，避免短路引起事故。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，壓敏電阻在吸收突波時(shí)，發(fā)生崩潰電壓降低時(shí)，將使其工作電流過(guò)大直至燒毀；發(fā)生爆裂（封裝層裂開，引線與陶瓷體分離）時(shí)，將斷路，從而使保護(hù)失效；發(fā)生此片短路時(shí)將使其燒毀。當(dāng)壓敏電阻的使用環(huán)境或者濕度過(guò)高時(shí)，將使其劣化（崩潰電壓降低），從而使其工作電流過(guò)大直至燒毀或短路。當(dāng)壓敏電阻的使用電壓超過(guò)額定工作電壓時(shí)，將使其劣化（崩潰電壓降低），從而使其工作電流過(guò)大直至燒毀或短路。
對(duì)于壓敏電阻起火燃燒的失效現(xiàn)象，大體上可分為老化失效和暫態(tài)過(guò)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(diǎn)，薄弱點(diǎn)材料融化，形1k左右的短路孔后，電源繼續(xù)推動(dòng)一個(gè)較大的電流灌入短路點(diǎn)，形成高熱而起火。這種事故通常可以通過(guò)一個(gè)與壓敏電阻串聯(lián)的熱熔接點(diǎn)來(lái)避免。熱熔接點(diǎn)應(yīng)與電阻體有良好的熱耦合，當(dāng)最大沖擊電流流過(guò)時(shí)不會(huì)斷開，但當(dāng)溫度超過(guò)電阻體上限工作溫度時(shí)即斷開。研究結(jié)果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發(fā)生早期失效， 強(qiáng)度不大的電沖擊的多次作用，也會(huì)加速老化過(guò)程，使老化失效提早出現(xiàn)。
②暫態(tài)過(guò)電壓破壞，這是指較強(qiáng)的暫態(tài)過(guò)電壓使電阻體穿孔，導(dǎo)致更大的電流而高熱起火。整個(gè)過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，以至電阻體上設(shè)置的熱熔接點(diǎn)來(lái)不及熔斷。在三相電源保護(hù)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(shù)是屬于這一種情況。相應(yīng)的對(duì)策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應(yīng)用技術(shù)資料中，推薦與壓敏電阻串聯(lián)電流熔絲（保險(xiǎn)絲）進(jìn)行保護(hù)。
壓敏電阻應(yīng)用實(shí)例分析
電源系統(tǒng)的過(guò)電壓防護(hù)依據(jù)線路絕緣結(jié)構(gòu)理論及IEC61312、IEC664-1、IEC61643、GB50097-1994（2000年版）等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建筑物和電氣設(shè)備（如第三類防雷建筑物）進(jìn)行感應(yīng)過(guò)電壓防護(hù)的絕緣結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
圖5 電源系統(tǒng)的過(guò)壓防護(hù)
從圖1可以看出，在220V/380V線路中的每一區(qū)域，都應(yīng)該在其前面并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻器或過(guò)電壓保護(hù)器，雷電感應(yīng)過(guò)電壓能量將通過(guò)逐級(jí)的防雷器件吸 收和釋放到大地中，達(dá)到保護(hù)線路和設(shè)備免受雷電破壞的目的；雖然應(yīng)用于Ⅳ、Ⅲ區(qū)域的過(guò)電壓保護(hù)器具有自身劣化斷開電源的功能，但考慮到不同的接地狀況，還應(yīng)與過(guò)電壓保護(hù)器串聯(lián)合適的熔斷器或空氣開關(guān)。
信號(hào)線的過(guò)電壓防護(hù)
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要設(shè)備更易被雷電感應(yīng)過(guò)電壓破壞，因此數(shù)據(jù)信號(hào)線路的過(guò)電壓防護(hù)迫在眉睫，隨之產(chǎn)生了 由線路結(jié)構(gòu)決定的計(jì)算機(jī)串口、數(shù)據(jù)線和同軸電纜專用的過(guò)電壓保護(hù)器。這些防護(hù)元件一般由三極放電管與快速嵌位二極管相結(jié)合的兩級(jí)保護(hù)組成，額定脈沖電流大 于5kA（8μs/20μs），響應(yīng)時(shí)間小于1ns，具有很低的工作電壓、很高的使用頻率和傳速頻率、很低的插入損耗。
更多應(yīng)用實(shí)例：
1、實(shí)例講解：壓敏電阻在燈具電子線路中的應(yīng)用
http://www.longhushijia.cn/cp-art/80020288?page=1
2、壓敏電阻及過(guò)壓保護(hù)器在雷電防護(hù)中的應(yīng)用
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