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本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之壓敏電阻以及一些常用的電路。

 

1、概述:

 

防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開(kāi)關(guān)、還有電感、電阻、電容等。

 

本文我們來(lái)詳細(xì)分析壓敏電阻的工作原理。

 

壓敏電阻，簡(jiǎn)稱(chēng)VDR（Voltage Dependent Resistor，在電路圖中有時(shí)用VR標(biāo)識(shí)，如下圖所示：

目前，市面上的壓敏電阻多為氧化鋅為（ZnO）主體材料，摻雜多種金屬氧化物，所以有的電路圖中用MOV（Metal Oxide Varistors 金屬氧化物壓敏電阻）標(biāo)識(shí)，如下圖所示：

它是一種具有非線(xiàn)性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路承受過(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

如下圖所示為其常用原理圖符號(hào)：

 

壓敏電阻上面一般有絲印，絲印標(biāo)識(shí)解釋如下：

其封裝通常是插件式的，也有很多貼片式的，如下為某平臺(tái)搜索壓敏電阻時(shí)的結(jié)果：

物如其名，壓敏電阻的是對(duì)電壓敏感的器件，是一種限壓型浪涌保護(hù)器件?

 

當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間時(shí)，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

 

壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌能量，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)。

 

壓敏電阻的主要參數(shù)有壓敏電壓、 通流容量、 結(jié)電容及響應(yīng)時(shí)間等，如下圖所示為某品牌壓敏電阻的參電氣特性：

 

下面對(duì)表中參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

 

壓敏電壓（Varistor voltage）：即擊穿電壓或者閾值電壓，指在規(guī)定的直流電流流過(guò)壓敏電阻時(shí)，壓敏電阻兩端的直流電壓值，通常被稱(chēng)為UB。

 

該值大多數(shù)情況下是在 1mA直流電流通入壓敏電阻時(shí)測(cè)得的電壓值。

 

其產(chǎn)品電壓范圍可從 10-9000V不等，可根據(jù)需要正確選用。

 

最大允許工作電壓（Max.Allowable Voltage）：在環(huán)境溫度25℃下，允許連續(xù)施加在壓敏電阻上的最大正弦電壓的有效值UAC（總諧波失真通常小于5%）或者直流工作電壓值UDC。

 

最大耐受的能量（Max.Energy）：使壓敏電阻壓敏電壓波動(dòng)±10%時(shí)的最大能量，測(cè)試電壓為10/1000us（10us上升時(shí)間，1000us半峰值時(shí)間）。

 

有的壓敏電阻測(cè)試條件為8/20us。如下圖所示：

 

80/20us代表一個(gè)上升時(shí)間為8µs，半峰值時(shí)間為20 µs的沖擊電流波形，如下圖所示：

最大鉗位電壓（Max.Clamping Voltage）：在標(biāo)準(zhǔn)脈沖電流波形下（8/20us）壓敏電阻兩端的最大電壓。

 

耐沖擊電流（Withstanding Surge Current）：有的文章中也稱(chēng)為通流容量。

 

即在環(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。

 

額定功率（Rated Power）：在25℃的環(huán)境溫度下的最大允許平均功耗。

 

典型電容（Typical Capacitance）：等效的典型結(jié)電容。該容值相較于TVS以及空氣放電管比較大。測(cè)試條件中有的是在1KHz條件下側(cè)得，有的是在1MHz條件下測(cè)得，如下所示：

 

壓敏電阻主要可用于直流電源? 交流電源? 低頻信號(hào)線(xiàn)路? 帶饋電的天饋線(xiàn)路。

 

在正常的工作條件下，壓敏電阻的電阻很高，當(dāng)兩端電壓超過(guò)變壓器額定值時(shí)，其電阻會(huì)隨著電壓的增加而急劇下降。

根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，其I/V曲線(xiàn)如下所示：

根據(jù)曲線(xiàn)我們可以看出，不導(dǎo)通時(shí)，I/V曲線(xiàn)保持線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)兩端電壓超過(guò)壓敏電壓時(shí)，由于半導(dǎo)體材料的雪崩效應(yīng)，壓敏電阻呈現(xiàn)類(lèi)導(dǎo)通狀態(tài)，電壓被限制在一定的電平下。

 

2、壓敏電阻使用時(shí)的注意事項(xiàng)：

 

壓敏電阻結(jié)電容比較大，所以不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線(xiàn)路的保護(hù)中。

 

應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí), 因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大, 會(huì)增加漏電流, 所以在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)需要充分考慮? 

 

壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí), 比空氣放電管快（有關(guān)空氣放電管的文章請(qǐng)參考《氣體放電管》）, 比TVS管稍慢一些, 一般情況下用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)時(shí), 其響應(yīng)速度可以滿(mǎn)足要求?

 

下圖為幾種常用浪涌器件在標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓下的響應(yīng)對(duì)比：

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 (UB )? 通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的?

 

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。

 

如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿(mǎn)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。

 

在直流回路中, 在選型時(shí)應(yīng)當(dāng):

 

UB  ≈(1.8~2) Udc 

 

 式中, Udc 為回路中的直流工作電壓? 

 

在交流回路中, 應(yīng)當(dāng)：

 

UB ≈ (2.2~2.5) Uac 

 

式中, Uac 為回路中的交流工作電壓?

 

上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí), 有適當(dāng)?shù)陌踩６? 

 

在信號(hào)回路中時(shí), 應(yīng)當(dāng):

 

UB ≈ (1.2~ 1.5) Umax

 

式中, Umax 為信號(hào)回路的峰值電壓?

 

壓敏電阻的失效模式主要是短路, 當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí), 也可能造成因閥片被炸裂而開(kāi)路?

 

壓敏電阻使用壽命較短，經(jīng)多次沖擊后性能會(huì)下降。因此，由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。

 

壓敏電阻也會(huì)受溫度的影響，某品牌壓敏電阻工作溫度的降額曲線(xiàn)如下所示（不同品牌和系列的不同）：

 

壓敏電阻器受損時(shí)，可能出現(xiàn)破碎飛散，因此要對(duì)集成產(chǎn)品加保護(hù)蓋或外盒。

 

請(qǐng)勿安裝在可燃物品（塑料電線(xiàn)、樹(shù)脂合成物等）附近。若無(wú)法避免，請(qǐng)使用不燃性保護(hù)外殼。

 

下面分享幾個(gè)典型應(yīng)用電路：

 

在DC或者AC單相的線(xiàn)間使用時(shí)，將保險(xiǎn)絲與壓敏電阻器串聯(lián)，如下圖所示：

在線(xiàn)-地間使用時(shí)，壓敏電阻器短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生接地電阻，電流保險(xiǎn)絲不會(huì)熔斷，可能引起壓敏電阻器外涂層樹(shù)脂冒煙或起火。

 

為避免上述情況，請(qǐng)?jiān)陔娫炊税惭b漏電斷路器。如無(wú)漏電斷路器，則需將電流保險(xiǎn)絲與溫度保險(xiǎn)絲串聯(lián)使用。如下圖所示：

在A(yíng)C三相電的相間使用時(shí)，將保險(xiǎn)絲與壓敏電阻器串聯(lián)，如下圖所示：

AC三相的線(xiàn)-地間使用時(shí)，如無(wú)漏電斷路器，則需將電流保險(xiǎn)絲與溫度保險(xiǎn)絲串聯(lián)使用。如下圖所示：

在帶電部件與金屬部件之間使用壓敏電阻器時(shí)，壓敏電阻器短路時(shí)有觸電危險(xiǎn)，故請(qǐng)將金屬部件接地或勿與人體接觸。

 

所用壓敏電阻器與電流保險(xiǎn)絲的額定電流，一般推薦按下表進(jìn)行選定：

保險(xiǎn)絲的位置請(qǐng)按照前面電路圖中所示放置。

 

此外，在用戶(hù)端，當(dāng)壓敏電阻器損壞時(shí)，要確認(rèn)其設(shè)備是否會(huì)發(fā)生2 次傷害。

 

將壓敏電阻器與溫度保險(xiǎn)絲連接時(shí)，用戶(hù)端請(qǐng)盡量選用熱結(jié)合較好的保險(xiǎn)絲。

 

壓敏電阻還有一些其它的應(yīng)用電路供大家參考：

壓敏電阻的使用環(huán)境：

 

壓敏電阻器不可在室外使用。

 

不可在陽(yáng)光直射場(chǎng)所、發(fā)熱源附近或溫度超過(guò)使用溫度范圍的場(chǎng)所使用。

 

不可在淋雨、蒸汽、高濕度的場(chǎng)所使用。

 

不可在粉塵或鹽分較多的場(chǎng)所以及被腐蝕性氣體污染的環(huán)境中使用。

 

加工條件：

 

不可采用可能導(dǎo)致外涂層樹(shù)脂劣化的溶劑（稀釋劑、丙酮等）進(jìn)行清洗。

 

不可施加可能導(dǎo)致外涂層樹(shù)脂或元件出現(xiàn)破損的沖擊或撞擊、壓力。

 

將壓敏電阻器進(jìn)行樹(shù)脂鍍膜（含護(hù)膜塑模）時(shí)，不可使用可能導(dǎo)致壓敏電阻器劣化的樹(shù)脂。

 

壓敏電阻器外涂層樹(shù)脂附近的引線(xiàn)部位不可進(jìn)行強(qiáng)烈折彎或施加外力。

 

焊接時(shí)，請(qǐng)?jiān)谌缦聴l件下進(jìn)行。且不可將構(gòu)成壓敏電阻器的焊接部位或絕緣材料熔化。

推薦焊接條件如下：

保存條件：

 

壓敏電阻器不可保存在高溫、高濕場(chǎng)所。保存場(chǎng)所室溫 40°C 以下，濕度 75%RH 以下，保存期限為 1 年。

 

長(zhǎng)期間保管（1 年以上）時(shí)，使用時(shí)請(qǐng)確認(rèn)產(chǎn)品的可焊性。

 

不可保存在腐蝕性氣體（硫化氫、亞硫酸、氯氣、氨氣等）環(huán)境中。

 

保存場(chǎng)所避免陽(yáng)光直射、結(jié)露等。