1、壓敏電阻的原理、選型及設計實例分析壓敏電阻的設計與選型2013/4/11 16:44:30關鍵詞：傳感技術過電壓壓敏電阻器保護器目前壓敏電阻絕大多數為氧化鋅壓敏電阻，本文就不要以氧化鋅壓敏電阻來介紹原理、選型以及應用實例。壓敏電阻的原理ZnO壓敏電阻實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，這相當于一只小電容器，而當電路出現過電壓時，它的內阻急劇下降并迅速導通，其工作電流增加幾個數量級，從而有效地保護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，它的內部微觀結構如圖(1)b 所示。微觀結構中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周圍

2、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，相接觸的兩個晶粒之間形成了一個相當于齊納二極管的勢壘，這就是一壓敏電阻單元，每個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和并聯就構成了壓敏電阻的基體。串聯的單元越多，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，每個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區承受電功率， 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電器的輸入端壓敏電阻的Zv

3、與電路總阻抗（包括浪涌源阻抗Zs）構成分壓器，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的兆歐級降到幾歐，甚至小于1。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定，因而能起到的保護作用。圖(3)所示特性曲線可以說明其保護原理。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Q，即保護工作點，對應的限制電壓為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，從而有效地保護了用電器。不同的線路阻抗具有不同的保護特

4、性，從保護效果來看，Zs越大，其保護效果就越好，若 Zs=0，即電路阻抗為零，壓敏電阻就不起保護作用了。圖(4)所描述的曲線可以說明Zs與保護特性之間的關系。圖3 壓敏電阻特性曲線圖4 Zs與保護特性之間的關系壓敏電阻的設計與選型壓敏電阻的選用原則：瞻前顧后，符合標準，折中考慮，實驗為準。具體來說，瞻前需考慮到：系統電壓正常波動范圍的上限值，故障套件下的最高暫態電壓及其持續時間；沖擊源的沖擊電壓峰值和源阻抗（或沖擊電流），沖擊的時間寬度及頻率等；顧后即考慮到：被保護對象的耐壓水平；被保護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：在預期的沖擊源的最大沖擊電壓下，壓敏電阻的限

5、制電壓，應低于被保護對象的沖擊耐壓值；在系統電壓正常波動范圍的上限值和故障以及最高環境溫度條件下，壓敏電阻的預期工作壽命時間應大于設計要求值；壓敏電阻的通流量，額定能量，功耗應大于沖擊源預訂的最大沖擊電流，沖擊能量和平均功耗，在規定條件下，壓敏電阻的沖擊壽命次數應大于壽命期內沖擊源的沖擊次數；在系統電壓和沖擊源發生超過預期值的異常情況時，壓敏電阻不會起火，不會發生危及鄰近元器件的爆裂，且沒有導致點擊的危險；壓敏電阻的電容量和非線性電流對被保護對象或系統的影響，應在允許的范圍內。符合標準即符合相關的安規測試。 折中考慮即在壓敏電阻應用中，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

6、命對壓敏電壓的要有時是矛盾的，保護的可靠度與保護的成本有時是矛盾的。實驗為準即在選定壓敏電壓后，還需在現場作用條件下或者盡可能的接近真實情況來模擬環境條件進行實驗驗證，在驗證中需檢測在正常工作條件下壓敏電阻對被保護對象的影響程度是否在允許的范圍，進行模擬沖擊實驗以檢驗過壓保護性能是否滿足設計要求。一般地說，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱電壓，即使在電源波動情況最壞時，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標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）,設電源電壓波動系數為0

7、.81.3，在最壞情況下，壓敏電阻器兩端的電壓可達2201.3=286V，從額定值可以查出應選擇的壓敏電阻規格為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最大的時候，連續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，有時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，一是連續工作電壓壽

8、命，即壓敏電阻在規定環境溫度和系統電壓條件應能可靠地工作規定的時間（小時數）。二是沖擊壽命，即能可靠地承受規定的沖擊的次數；第四，在應用中，壓敏電阻器所吸收的浪涌電流要小于產品的最大通流量，以使產品有較長的工作壽命；第五，壓敏電阻介入系統后，除了起到安全閥的保護作用外，還會帶入一些附加影響，這就是所謂二次效應，它不應降低系統的正常工作性能。這時要考慮的因素主要有三項，一是壓敏電阻本身的電容量（幾十到幾萬PF），二是在系統電壓下的漏電流，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。對于過壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實際電路的電壓值，一般應使用下式進行選擇：V1.0mAavbc

9、式中：a為電路電壓波動系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數，一般取0.9； 這樣計算得到的V1.0mA實際數值是直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1.414倍。另外，選用時還必須注意：必須保證在電壓波動最大時，連續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，有時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稱電壓的壓敏電阻器；壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產品的最大通流量。設計，選型，替代注意：設計選型時選取合適

10、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將會發生陶瓷炸裂現象。第三種穿孔，若過電壓峰值特別高，導致壓敏電阻器的失效模式絕大部分表現為劣化各穿孔（短路），解決的辦法為在使用壓敏電阻器時，與之串聯一個合適的斷路器或者保險絲，避免短路引起事故?？偨Y來說，壓敏電阻在吸收突波時，發生崩潰電壓降低時，將使其工作電流過大直至燒毀；發生爆裂

11、（封裝層裂開，引線與陶瓷體分離）時，將斷路，從而使保護失效；發生此片短路時將使其燒毀。當壓敏電阻的使用環境或者濕度過高時，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。當壓敏電阻的使用電壓超過額定工作電壓時，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象，大體上可分為老化失效和暫態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，薄弱點材料融化，形1k左右的短路孔后，電源繼續推動一個較大的電流灌入短路點，形成高熱而起火。這種事故通?？梢酝ㄟ^一個與壓敏電阻串聯的熱熔接點來避免。熱熔接點

12、應與電阻體有良好的熱耦合，當最大沖擊電流流過時不會斷開，但當溫度超過電阻體上限工作溫度時即斷開。研究結果表明， 若壓敏電阻存在著制造缺陷，易發生早期失效， 強度不大的電沖擊的多次作用，也會加速老化過程，使老化失效提早出現。暫態過電壓破壞，這是指較強的暫態過電壓使電阻體穿孔，導致更大的電流而高熱起火。整個過程在較短時間內發生，以至電阻體上設置的熱熔接點來不及熔斷。在三相電源保護中，N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火的事故概率較高，多數是屬于這一種情況。相應的對策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應用技術資料中，推薦與壓敏電阻串聯電流熔絲（保險絲）進行保護。壓敏電阻應用實例分析電源系統的過電壓防護依據線路絕緣結構理論及IEC61312、IEC664-1、IEC61643、GB50097-1994（2000年版）等標準，對建筑物和電氣設備（如第三類防雷建筑物）進行感應過電壓防護的絕緣結構，如圖5所示。圖5 電源系統的過壓防護從圖1可以看出，在220V/380V線路中的每一區域，都應該在其前面并聯氧化鋅壓敏電阻器或過電壓保護器，雷電感應過電壓能量將通過逐級的防雷器件吸 收和釋放到大地中，達到保護線路和設備免受雷電破壞的目的；雖然應用于、區域的過電壓保護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，還應與過電壓保護器串聯合適的熔斷器或空氣開關。信號線的過