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压敏电阻的原理、选型及设计实例分析压敏电阻的设计与选型2013/4/1116:44:30关键词：传感技术过电压压敏电阻器保护器目前压敏电阻绝大多数为氧化锌压敏电阻，本文就不要以氧化锌压敏电阻来介绍原理、选型以及应用实例。压敏电阻的原理ZnO压敏电阻实际上是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，在正常电压条件下，这相当于一只小电容器，而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏。它的伏安特性是对称的，如图(1)a所示。这种元件是利用陶瓷工艺制成的，它的内部微观结构如图(1)b所示。微观结构中包括氧化锌晶粒以及晶粒周围的晶界层。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，相接触的两个晶粒之间形成了一个相当于齐纳二极管的势垒，这就是一压敏电阻单元，每个单元击穿电压大约为3.5V，如果将许多的这种单元加以串联和并联就构成了压敏电阻的基体。串联的单元越多，其击穿电压就超高，基片的横截面积越大，其通流容量也越大。压敏电阻在工作时，每个压敏电阻单元都在承受浪涌电能量，而不象齐纳二极管那样只是结区承受电功率，这就是压敏电阻为什么比齐纳二极管能承受大得多的电能量的原因。图1压敏电阻伏安特性压敏电阻在电路中通常并接在被保护电器的输入端，如图(2)所示。图2压敏电阻在电路中通常并接在被保护电器的输入端压敏电阻的Zv与电路总阻抗（包括浪涌源阻抗Zs）构成分压器，因此压敏电阻的限制电压为V=VsZv/(Zs+Zv)。Zv的阻值可以从正常时的兆欧级降到几欧，甚至小于1Ω。由此可见Zv在瞬间流过很大的电流，过电压大部分降落在Zs上，而用电器的输入电压比较稳定，因而能起到的保护作用。图(3)所示特性曲线可以说明其保护原理。直线段是总阻抗Zs，曲线是压敏电阻的特性曲线，两者相交于点Q，即保护工作点，对应的限制电压为V，它是使用了压敏电阻后加在用电器上的工作电压。Vs为浪涌电压，它已超过了用电器的耐压值VL，加上压敏电阻后，用电器的工作电压V小于耐压值VL，从而有效地保护了用电器。不同的线路阻抗具有不同的保护特性，从保护效果来看，Zs越大，其保护效果就越好，若Zs=0，即电路阻抗为零，压敏电阻就不起保护作用了。图(4)所描述的曲线可以说明Zs与保护特性之间的关系。图3压敏电阻特性曲线图4Zs与保护特性之间的关系压敏电阻的设计与选型压敏电阻的选用原则：瞻前顾后，符合标准，折中考虑，实验为准。具体来说，瞻前需考虑到：系统电压正常波动范围的上限值，故障套件下的最高暂态电压及其持续时间；冲击源的冲击电压峰值和源阻抗（或冲击电流），冲击的时间宽度及频率等；顾后即考虑到：被保护对象的耐压水平；被保护对象允许的压敏电阻的固有电容和阻性漏电流。瞻前顾后的基本要求为：在预期的冲击源的最大冲击电压下，压敏电阻的限制电压，应低于被保护对象的冲击耐压值；在系统电压正常波动范围的上限值和故障以及最高环境温度条件下，压敏电阻的预期工作寿命时间应大于设计要求值；压敏电阻的通流量，额定能量，功耗应大于冲击源预订的最大冲击电流，冲击能量和平均功耗，在规定条件下，压敏电阻的冲击寿命次数应大于寿命期内冲击源的冲击次数；在系统电压和冲击源发生超过预期值的异常情况时，压敏电阻不会起火，不会发生危及邻近元器件的爆裂，且没有导致点击的危险；压敏电阻的电容量和非线性电流对被保护对象或系统的影响，应在允许的范围内。符合标准即符合相关的安规测试。折中考虑即在压敏电阻应用中，有些要求是互相矛盾的，因此要折中考虑，例如限制电压和电压寿命对压敏电压的要有时是矛盾的，保护的可靠度与保护的成本有时是矛盾的。实验为准即在选定压敏电压后，还需在现场作用条件下或者尽可能的接近真实情况来模拟环境条件进行实验验证，在验证中需检测在正常工作条件下压敏电阻对被保护对象的影响程度是否在允许的范围，进行模拟冲击实验以检验过压保护性能是否满足设计要求。一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。又如在AC220V线间使用（暂不考虑能量和耐量）,设电源电压波动系数为0.8～1.3，在最坏情况下，压敏电阻器两端的电压可达220×1.3=286V，从额定值可以查出应选择的压敏电阻规格为471K。对于普通一次电源，如果输入电压范围Vin=85-264Vac，依照我司压敏电阻电压降额要求0.9,可知电压可达264/0.9=293Vac,即至少选取300Vac（471K）；值得注意的是：第一，必须保证在电压波动最大的时候，连续工作电压也不允许超过最大允许值，否则将缩短了压敏电阻器的使用寿命；第二，在电源线与大地使用压敏电阻时，有时由于接触不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高压敏电压的压敏电阻；第三，压敏电阻的寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数；第四，在应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流要小于产品的最大通流量，以使产品有较长的工作寿命；第五，压敏电阻介入系统后，除了起到安全阀的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓二次效应，它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万PF），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择：V1.0mA＝av／bc式中：a为电路电压波动系数，一般取1.2；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一般取0.85；c为元件的老化系数，一般取0.9；这样计算得到的V1.0mA实际数值是直流工作电压的1.5倍，在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1.414倍。另外，选用时还必须注意：必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命；在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器；压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。设计，选型，替代注意：设计选型时选取合适压敏电压，使用电压，通流量的压敏电阻，并需考虑到降额要求，目前我司的压敏电阻最大工作电压降额要求为90%.压敏电阻的失效模式压敏电阻的失效模式有三种方式：第一种劣化，表现在漏电流增大，压敏电压显著下降，直至为零。第二种炸裂，若过电压引起的浪涌能量太大，超过了选的压敏电阻器极限的承受能力，则压敏电阻器在抑制过电压时将会发生陶瓷炸裂现象。第三种穿孔，若过电压峰值特别高，导致压敏电阻器的失效模式绝大部分表现为劣化各穿孔（短路），解决的办法为在使用压敏电阻器时，与之串联一个合适的断路器或者保险丝，避免短路引起事故。总结来说，压敏电阻在吸收突波时，发生崩溃电压降低时，将使其工作电流过大直至烧毁；发生爆裂（封装层裂开，引线与陶瓷体分离）时，将断路，从而使保护失效；发生此片短路时将使其烧毁。当压敏电阻的使用环境或者湿度过高时，将使其劣化（崩溃电压降低），从而使其工作电流过大直至烧毁或短路。当压敏电阻的使用电压超过额定工作电压时，将使其劣化（崩溃电压降低），从而使其工作电流过大直至烧毁或短路。对于压敏电阻起火燃烧的失效现象，大体上可分为老化失效和暂态过电压破坏两种类型。①老化失效，这是指电阻体的低阻线性化逐步加剧，漏电流恶性增加且集中流入薄弱点，薄弱点材料融化，形1k左右的短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点，形成高热而起火。这种事故通常可以通过一个与压敏电阻串联的热熔接点来避免。热熔接点应与电阻体有良好的热耦合，当最大冲击电流流过时不会断开，但当温度超过电阻体上限工作温度时即断开。研究结果表明，若压敏电阻存在着制造缺陷，易发生早期失效，强度不大的电冲击的多次作用，也会加速老化过程，使老化失效提早出现。②暂态过电压破坏，这是指较强的暂态过电压使电阻体穿孔，导致更大的电流而高热起火。整个过程在较短时间内发生，以至电阻体上设置的热熔接点来不及熔断。在三相电源保护中，N-PE线之间的压敏电阻器烧坏起火的事故概率较高，多数是属于这一种情况。相应的对策集中在压敏电阻损坏后不起火。一些压敏电阻的应用技术资料中，推荐与压敏电阻串联电流熔丝（保险丝）进行保护。压敏电阻应用实例分析电源系统的过电压防护依据线路绝缘结构理论及IEC61312、IEC664-1、IEC61643、GB50097-1994（2000年版）等标准，对建筑物和电气设备（如第三类防雷建筑物）进行感应过电压防护的绝缘结构，如图5所示。图5电源系统的过压防护从图1可以看出，在220V/380V线路中的每一区域，都应该在其前面并联氧化锌压敏电阻器或过电压保护器，雷电感应过电压能量将通过逐级的防雷器件吸收和释放到大地中，达到保护线路和设备免受雷电破坏的目的；虽然应用于Ⅳ、Ⅲ区域的过电压保护器具有自身劣化断开电源的功能，但考虑到不同的接地状况，还应与过电压保护器串联合适的熔断器或空气开关。信号线的过电压防护随着信息技术的高速发展，通信网络、数据网络和计算机网络系统中的重要设备更易被雷电感应过电压破坏，因此数据信号线路的过电压防护迫在眉睫，随之产生了由线路结构决定的计算机串口、数据线和同轴电缆专用的过电压保护器。这些防护元件一般由三极放电管与快速嵌位二极管相结合的两级保护组成，额定脉冲电流大于5kA（8μs/20μs），响应时间小于1ns，具有很低的工作电压、很高的使用频率和传速频率、很低的插入损耗。