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压敏电阻基础知识、工作原理及特性教程

压敏电阻是一种无源双端固态半导体器件,用于为电气和电子电路提供保护。压敏电阻的电阻体由半导体材料制成,使其成为一种具有非欧姆对称电压和电流特性的半导体电阻器,适用于交流和直流电压应用。压敏电阻用于抑制从家用电器和照明到AC或DC电力线上的工业设备的市电瞬变。

压敏电阻是一种无源双端固态半导体器件,用于为电气和电子电路提供保护。

与提供过流保护的保险丝或断路器不同,压敏电阻通过电压钳位提供过压保护,其方式与齐纳二极管类似。

压敏电阻”这个词是VARI -able res- STOR这个词的组合,用于描述它们在早期开发过程中的运行方式,这有点误导,因为压敏电阻不能像电位计或变阻器一样手动变化。

但与可变电阻不同,其电阻值可在其最小值和最大值之间手动变化,压敏电阻随其电压的变化自动改变其电阻值,使其成为电压相关的非线性电阻或简称VDR。

压敏电阻
压敏电阻

压敏电阻的符号在我们之前的文章里已经详细讲解过,在这里就不再赘述了。


如今,压敏电阻的电阻体由半导体材料制成,使其成为一种具有非欧姆对称电压和电流特性的半导体电阻器,适用于交流和直流电压应用。

在许多方面,压敏电阻在尺寸和设计上看起来与电容器相似,并且经常被混淆为一体。然而,电容器不能像压敏电阻那样抑制电压浪涌。当对电路施加高压浪涌时,结果通常对电路造成灾难性影响,因此压敏电阻在保护精密电子电路免受开关尖峰和过电压瞬变方面起着重要作用。

瞬态浪涌源自各种电路和电源,无论它们是由AC还是DC供电,因为它们通常在电路本身内产生或从外部源传输到电路中。电路内的瞬态可以迅速上升,将电压增加到几千伏,并且必须防止这些电压尖峰出现在精密的电子电路和元件上。

最常见的电压瞬变源之一是由感应线圈和变压器磁化电流的切换引起的L(di / dt)效应,直流电机开关应用以及荧光照明电路或其他电源浪涌的接通引起的浪涌。


交流波形瞬变
交流波形瞬变

压敏电阻通过主电源连接在电源中,相电压为中性,相间为交流操作,或者为负直流操作,并具有适合其应用的额定电压。压敏电阻也可用于直流电压稳定,特别是用于防止过压脉冲的电子电路。


在正常操作下,压敏电阻具有非常高的电阻,因此其名称的一部分通过允许较低阈值电压不受影响地以与齐纳二极管类似的方式操作。

然而,当变阻器两端的电压(任一极性)超过变阻器额定值时,其有效电阻随着电压的增加而强烈下降,如图所示。


压敏电阻静电阻
压敏电阻静电阻

根据欧姆定律,我们知道固定电阻的电流 - 电压(IV)特性是直线,条件是R保持不变。然后,电流与电阻两端的电位差成正比。

但压敏电阻的IV曲线不是直线,因为电压的微小变化会引起电流的显着变化。下面给出标准压敏电阻的典型归一化电压 - 电流特性曲线。


压敏电阻特性曲线
压敏电阻特性曲线

从上面我们可以看出,变阻器具有对称的双向特性,即变阻器在正弦波形的两个方向(象限I和II)中操作,其行为方式类似于背对背连接的两个齐纳二极管。当不导通时,IV曲线显示出线性关系,因为流过压敏电阻的电流保持恒定并且仅在几微安的“泄漏”电流下很低。这是由于其高电阻起到开路的作用,并且在变阻器两端的电压(任一极性)达到特定的“额定电压”之前保持不变。

该额定或钳位电压是在规定的1mA直流电流下测量的压敏电阻两端的电压。也就是说,在其端子上施加的DC电压电平允许1mA的电流流过变阻器电阻体,其本身取决于其构造中使用的材料。在该电压电平下,变阻器开始从其绝缘状态变为导通状态。

当变阻器两端的瞬态电压等于或大于额定值时,由于半导体材料的雪崩效应,器件的电阻突然变得非常小,使变阻器变成导体。流过变阻器的小漏电流迅速上升,但其上的电压被限制在恰好高于变阻器电压的电平。

换句话说,压敏电阻通过允许更多的电流流过它来自我调节其上的瞬态电压,并且由于其陡峭的非线性IV曲线,它可以在很窄的电压范围内通过广泛变化的电流,从而削减任何电压尖峰。

压敏电阻电容值

由于在其两个端子之间的变阻器的主导电区域表现得像电介质,在其钳位电压以下,变阻器的作用类似于电容器而不是电阻器。每个半导体压敏电阻的电容值直接取决于其面积,并与其厚度成反比变化。

当用于直流电路时,压敏电阻的电容或多或少保持恒定,只要施加的电压不会增加到高于钳位电压电平,并且在其最大额定连续直流电压附近突然下降。

然而,在AC电路中,该电容会影响器件在其IV特性的非导通泄漏区域中的体电阻。由于它们通常与电气设备并联以保护其免受过电压的影响,因此随着频率的增加,变阻器的漏电阻迅速下降。

该关系与频率近似成线性,并且所得到的并联电阻,其AC电抗,Xc可以使用通常的1 /(2πC)来计算,与普通电容器相同。然后随着频率的增加,其泄漏电流也随之增加。

但是,除了基于硅半导体的压敏电阻之外,还开发了金属氧化物压敏电阻,以克服与其碳化硅同类相关的一些限制。

金属氧化物压敏电阻

所述金属氧化物变阻器或MOV的简称,是一个电压相关电阻器,其中电阻材料是金属氧化物,主要是氧化锌(ZnO)压制成像材料的陶瓷。金属氧化物压敏电阻由大约90%的氧化锌作为陶瓷基材和其他填充材料组成,用于在氧化锌晶粒之间形成连接。

金属氧化物压敏电阻是目前最常见的电压钳位器件,可用于各种电压和电流。在其结构中使用金属氧化物意味着MOV在吸收短期电压瞬变方面非常有效并且具有更高的能量处理能力。

与普通压敏电阻一样,金属氧化物变阻器在特定电压下开始导通,并在电压低于阈值电压时停止导通。标准碳化硅(SiC)压敏电阻和MOV型压敏电阻之间的主要区别在于,通过MOV的氧化锌材料的漏电流在正常工作条件下是非常小的电流,并且其在钳位瞬态中的操作速度要快得多。

MOV通常具有径向引线和坚硬的外部蓝色或黑色环氧树脂涂层,其非常类似于盘式陶瓷电容器,并且可以以类似的方式物理地安装在电路板和PCB上。典型金属氧化物压敏电阻的结构如下:


金属氧化物压敏电阻结构

金属氧化物压敏电阻结构

要为特定应用选择正确的MOV,需要了解源阻抗和瞬变的可能脉冲功率。对于输入线路或相位瞬变,正确的MOV的选择稍微困难一些,因为通常电源的特性是未知的。一般而言,MOV选择电路电源瞬态和尖峰的电气保护通常只是一个有根据的猜测。

然而,金属氧化物压敏电阻有多种变阻器电压可供选择,从大约10伏到超过1000伏交流或直流,因此可以通过了解电源电压来帮助选择。例如,选择MOV或硅压敏电阻,对于电压,其最大连续均方根电压额定值应略高于最高预期电源电压,例如120伏电源为130伏有效值,230伏为260伏有效值供应。

压敏电阻将采用的最大浪涌电流值取决于瞬态脉冲宽度和脉冲重复次数。可以对瞬态脉冲的宽度做出假设,其通常为20至50微秒(μs)长。如果峰值脉冲电流额定值不足,则压敏电阻可能会过热并损坏。因此,如果压敏电阻在没有任何故障或退化的情况下运行,它必须能够快速消散瞬态脉冲的吸收能量并安全地返回到其预脉冲状态。

压敏电阻应用

压敏电阻具有许多优点,并且可以用于许多不同类型的应用中,用于抑制从家用电器和照明到AC或DC电力线上的工业设备的市电瞬变。压敏电阻可以直接连接在主电源和半导体开关之间,以保护晶体管,MOSFET和晶闸管桥。

压敏电阻应用电路图
压敏电阻应用电路图

压敏电阻总结

在本教程中,我们已经看到电压相关电阻器或VDR 的基本功能是保护电子器件和电路免受电压浪涌和尖峰的影响,例如感应开关瞬变产生的电压浪涌和尖峰。

因为这种变阻器用于敏感电子电路中以确保如果电压突然超过预定值,变阻器将有效地变成短路以保护电路,使其避免过电压,因为它们能够承受数百个安培峰值电流。

压敏电阻是一种具有非线性,非欧姆电流电压特性的电阻器,是一种可靠且经济的方法,可提供过压瞬态和浪涌保护。


它们通过在较低电压下充当高阻阻挡器件并在较高电压下充当良好的低电阻导电器件来实现这一点。压敏电阻在保护电气或电子电路方面的有效性取决于压敏电阻在电压、电流和能量耗散方面的正确选择。

金属氧化物压敏电阻或MOV通常由小的盘形金属氧化锌材料制成。它们具有特定电压范围的许多值。MOV的额定电压称为“变阻器电压”,当电流为1mA时,压敏电阻上的电压通过器件。当器件开始导通时,该变阻器电压电平基本上是IV特性曲线上的点。金属氧化物压敏电阻也可以串联连接,以提高额定钳位电压。

虽然金属氧化物压敏电阻广泛用于许多交流电力电子电路以防止瞬态过电压,但也有其他类型的固态电压抑制装置,如二极管,齐纳二极管和抑制器,它们都可用于某些交流或直流电压压电应用和压敏电阻。

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