壓敏電阻特性及選用分析

1、壓敏電阻的原理、選型及設(shè)計(jì)實(shí)例分析壓敏電阻的設(shè)計(jì)與選型2013/4/11 16:44:30關(guān)鍵詞：傳感技術(shù)過電壓壓敏電阻器保護(hù)器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)電路岀現(xiàn) 過電壓時(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，從而有效 地保護(hù)了電路中的其它元器件不致過壓而損壞。它的伏安特性是對稱的，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

2、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)。Z

3、v的阻值可以從正常時(shí)的兆歐級降到幾歐，甚至小于1 Q。由此可見Zv在瞬間流過很大的電流，過電壓大部分降落在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

4、阻就不起保護(hù)作用了。圖 (4)所描述的曲線可 以說明Zs與保護(hù)特性之間的關(guān)系。圖3壓敏電阻特性曲線I K圖4 Zs與保護(hù)特性之間的關(guān)系壓敏電阻的設(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)。具體來說，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)對象的耐壓水平；被保護(hù)對 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 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

5、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)生超過預(yù)期值的異常情況時(shí)，壓敏電阻不會起火，不會發(fā)生危及鄰近 元器件的爆裂，且沒有導(dǎo)致點(diǎn)擊的危險(xiǎn)；壓敏電阻的電容量和非線性電流對被保護(hù)對象或系統(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

6、的。實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)即在選定壓敏電壓后，還需在現(xiàn)場作用條件下或者盡可能的接近真實(shí)情況來模擬環(huán)境條件進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在驗(yàn)證中需檢測在正常工作條件下壓敏電阻對被保護(hù)對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)過壓保護(hù)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。一般地說，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0.81.3，在最壞情況下， 壓敏電阻器兩端的電壓可達(dá)

7、220X1.3=286V，從額定值可以查岀應(yīng)選擇的壓敏電阻規(guī)格為 471K。對 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

8、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源阻抗的耦 合對其他電路的影響。對于過壓保護(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：VI.OmA = av / be式中

9、：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 ； e為元件的老化系數(shù)，一般取 0.9 ；這樣計(jì)算得到的VI.OmA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)工作電壓也不會超過最大允許值，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)

10、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%.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，若過電壓引起的浪涌能量太大，超過了選的壓敏電阻器極限的承受能力，則壓敏電阻器 在抑制過電壓時(shí)將會發(fā)生陶瓷炸裂現(xiàn)象。第三種穿孔，若過電壓峰值特別高，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?？偨Y(jié)來說，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

11、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)境或者濕度過高時(shí)，將使其劣化（崩潰電壓降低），從而使其工作電流過大直至燒毀或短路。當(dāng)壓敏電阻的使用電壓超過額定工作電壓時(shí)，將使其劣化（崩潰電壓降低），從而使其工作電流過大直至燒毀或短路。對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)過電壓破壞兩種類型。 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?？梢酝ㄟ^一個(gè)與壓敏電阻串聯(lián)

12、的熱熔接點(diǎn)來避免。熱熔接點(diǎn)應(yīng)與電阻體有良好的熱耦合，當(dāng)最大沖擊電流流過時(shí)不會斷開，但當(dāng)溫度超過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，也會加速老化過程，使老化失效提早岀現(xiàn)。 暫態(tài)過電壓破壞，這是指較強(qiáng)的暫態(tài)過電壓使電阻體穿孔，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

13、阻應(yīng)用實(shí)例分析電源系統(tǒng)的過電壓防護(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)過電壓防護(hù)的絕緣結(jié) 構(gòu)，如圖5所示。A*?2-iV 揪1（V111lit圖5電源系統(tǒng)的過壓防護(hù)從圖1可以看岀，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電 壓保護(hù)器，雷電感應(yīng)過電壓能量將通過逐級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W、皿區(qū)域的過電壓保護(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)與過電壓保護(hù)器串聯(lián)合適的熔斷器或空氣開關(guān)。信號線的過電壓