壓敏電阻基礎知識-工作原理和特性教程

壓敏電阻是一種無源雙端固態半導體器件，用于為電氣和電子電路提供保護。

與提供過流保護的保險絲或斷路器不同，壓敏電阻通過電壓鉗位提供過壓保護，其方式與齊納二極管類似。

“壓敏電阻”這個詞是VARI -able res- STOR這個詞的組合，用于描述它們在早期開發過程中的運行方式，這有點誤導，因為壓敏電阻不能像電位計或變阻器一樣手動變化。

但與可變電阻不同，其電阻值可在其最小值和最大值之間手動變化，壓敏電阻隨其電壓的變化自動改變其電阻值，使其成為電壓相關的非線性電阻或簡稱VDR。

壓敏電阻

壓敏電阻的符號在我們之前的文章里已經詳細講解過，在這里就不再贅述了。

如今，壓敏電阻的電阻體由半導體材料制成，使其成為一種具有非歐姆對稱電壓和電流特性的半導體電阻器，適用于交流和直流電壓應用。

在許多方面，壓敏電阻在尺寸和設計上看起來與電容器相似，并且經常被混淆為一體。然而，電容器不能像壓敏電阻那樣抑制電壓浪涌。當對電路施加高壓浪涌時，結果通常對電路造成災難性影響，因此壓敏電阻在保護精密電子電路免受開關尖峰和過電壓瞬變方面起著重要作用。

瞬態浪涌源自各種電路和電源，無論它們是由AC還是DC供電，因為它們通常在電路本身內產生或從外部源傳輸到電路中。電路內的瞬態可以迅速上升，將電壓增加到幾千伏，并且必須防止這些電壓尖峰出現在精密的電子電路和元件上。

最常見的電壓瞬變源之一是由感應線圈和變壓器磁化電流的切換引起的L（di / dt）效應，直流電機開關應用以及熒光照明電路或其他電源浪涌的接通引起的浪涌。

交流波形瞬變

壓敏電阻通過主電源連接在電源中，相電壓為中性，相間為交流操作，或者為負直流操作，并具有適合其應用的額定電壓。壓敏電阻也可用于直流電壓穩定，特別是用于防止過壓脈沖的電子電路。

在正常操作下，壓敏電阻具有非常高的電阻，因此其名稱的一部分通過允許較低閾值電壓不受影響地以與齊納二極管類似的方式操作。

然而，當變阻器兩端的電壓（任一極性）超過變阻器額定值時，其有效電阻隨著電壓的增加而強烈下降，如圖所示。

壓敏電阻靜電阻

根據歐姆定律，我們知道固定電阻的電流 - 電壓（IV）特性是直線，條件是R保持不變。然后，電流與電阻兩端的電位差成正比。

但壓敏電阻的IV曲線不是直線，因為電壓的微小變化會引起電流的顯著變化。下面給出標準壓敏電阻的典型歸一化電壓 - 電流特性曲線。

壓敏電阻特性曲線

從上面我們可以看出，變阻器具有對稱的雙向特性，即變阻器在正弦波形的兩個方向（象限I和II）中操作，其行為方式類似于背對背連接的兩個齊納二極管。當不導通時，IV曲線顯示出線性關系，因為流過壓敏電阻的電流保持恒定并且僅在幾微安的“泄漏”電流下很低。這是由于其高電阻起到開路的作用，并且在變阻器兩端的電壓（任一極性）達到特定的“額定電壓”之前保持不變。

該額定或鉗位電壓是在規定的1mA直流電流下測量的壓敏電阻兩端的電壓。也就是說，在其端子上施加的DC電壓電平允許1mA的電流流過變阻器電阻體，其本身取決于其構造中使用的材料。在該電壓電平下，變阻器開始從其絕緣狀態變為導通狀態。

當變阻器兩端的瞬態電壓等于或大于額定值時，由于半導體材料的雪崩效應，器件的電阻突然變得非常小，使變阻器變成導體。流過變阻器的小漏電流迅速上升，但其上的電壓被限制在恰好高于變阻器電壓的電平。

換句話說，壓敏電阻通過允許更多的電流流過它來自我調節其上的瞬態電壓，并且由于其陡峭的非線性IV曲線，它可以在很窄的電壓范圍內通過廣泛變化的電流，從而削減任何電壓尖峰。

壓敏電阻電容值

由于在其兩個端子之間的變阻器的主導電區域表現得像電介質，在其鉗位電壓以下，變阻器的作用類似于電容器而不是電阻器。每個半導體壓敏電阻的電容值直接取決于其面積，并與其厚度成反比變化。

當用于直流電路時，壓敏電阻的電容或多或少保持恒定，只要施加的電壓不會增加到高于鉗位電壓電平，并且在其最大額定連續直流電壓附近突然下降。

然而，在AC電路中，該電容會影響器件在其IV特性的非導通泄漏區域中的體電阻。由于它們通常與電氣設備并聯以保護其免受過電壓的影響，因此隨著頻率的增加，變阻器的漏電阻迅速下降。

該關系與頻率近似成線性，并且所得到的并聯電阻，其AC電抗，Xc可以使用通常的1 /（2πC）來計算，與普通電容器相同。然后隨著頻率的增加，其泄漏電流也隨之增加。

但是，除了基于硅半導體的壓敏電阻之外，還開發了金屬氧化物壓敏電阻，以克服與其碳化硅同類相關的一些限制。

金屬氧化物壓敏電阻

所述金屬氧化物變阻器或MOV的簡稱，是一個電壓相關電阻器，其中電阻材料是金屬氧化物，主要是氧化鋅（ZnO）壓制成像材料的陶瓷。金屬氧化物壓敏電阻由大約90％的氧化鋅作為陶瓷基材和其他填充材料組成，用于在氧化鋅晶粒之間形成連接。

金屬氧化物壓敏電阻是目前最常見的電壓鉗位器件，可用于各種電壓和電流。在其結構中使用金屬氧化物意味著MOV在吸收短期電壓瞬變方面非常有效并且具有更高的能量處理能力。

與普通壓敏電阻一樣，金屬氧化物變阻器在特定電壓下開始導通，并在電壓低于閾值電壓時停止導通。標準碳化硅（SiC）壓敏電阻和MOV型壓敏電阻之間的主要區別在于，通過MOV的氧化鋅材料的漏電流在正常工作條件下是非常小的電流，并且其在鉗位瞬態中的操作速度要快得多。

MOV通常具有徑向引線和堅硬的外部藍色或黑色環氧樹脂涂層，其非常類似于盤式陶瓷電容器，并且可以以類似的方式物理地安裝在電路板和PCB上。典型金屬氧化物壓敏電阻的結構如下：

金屬氧化物壓敏電阻結構

要為特定應用選擇正確的MOV，需要了解源阻抗和瞬變的可能脈沖功率。對于輸入線路或相位瞬變，正確的MOV的選擇稍微困難一些，因為通常電源的特性是未知的。一般而言，MOV選擇電路電源瞬態和尖峰的電氣保護通常只是一個有根據的猜測。

然而，金屬氧化物壓敏電阻有多種變阻器電壓可供選擇，從大約10伏到超過1000伏交流或直流，因此可以通過了解電源電壓來幫助選擇。例如，選擇MOV或硅壓敏電阻，對于電壓，其最大連續均方根電壓額定值應略高于最高預期電源電壓，例如120伏電源為130伏有效值，230伏為260伏有效值供應。

壓敏電阻將采用的最大浪涌電流值取決于瞬態脈沖寬度和脈沖重復次數。可以對瞬態脈沖的寬度做出假設，其通常為20至50微秒（μs）長。如果峰值脈沖電流額定值不足，則壓敏電阻可能會過熱并損壞。因此，如果壓敏電阻在沒有任何故障或退化的情況下運行，它必須能夠快速消散瞬態脈沖的吸收能量并安全地返回到其預脈沖狀態。

壓敏電阻應用

壓敏電阻具有許多優點，并且可以用于許多不同類型的應用中，用于抑制從家用電器和照明到AC或DC電力線上的工業設備的市電瞬變。壓敏電阻可以直接連接在主電源和半導體開關之間，以保護晶體管，MOSFET和晶閘管橋。

壓敏電阻應用電路圖

壓敏電阻總結

在本教程中，我們已經看到電壓相關電阻器或VDR 的基本功能是保護電子器件和電路免受電壓浪涌和尖峰的影響，例如感應開關瞬變產生的電壓浪涌和尖峰。

因為這種變阻器用于敏感電子電路中以確保如果電壓突然超過預定值，變阻器將有效地變成短路以保護電路，使其避免過電壓，因為它們能夠承受數百個安培峰值電流。

壓敏電阻是一種具有非線性，非歐姆電流電壓特性的電阻器，是一種可靠且經濟的方法，可提供過壓瞬態和浪涌保護。

它們通過在較低電壓下充當高阻阻擋器件并在較高電壓下充當良好的低電阻導電器件來實現這一點。壓敏電阻在保護電氣或電子電路方面的有效性取決于壓敏電阻在電壓、電流和能量耗散方面的正確選擇。

金屬氧化物壓敏電阻或MOV通常由小的盤形金屬氧化鋅材料制成。它們具有特定電壓范圍的許多值。MOV的額定電壓稱為“變阻器電壓”，當電流為1mA時，壓敏電阻上的電壓通過器件。當器件開始導通時，該變阻器電壓電平基本上是IV特性曲線上的點。金屬氧化物壓敏電阻也可以串聯連接，以提高額定鉗位電壓。

雖然金屬氧化物壓敏電阻廣泛用于許多交流電力電子電路以防止瞬態過電壓，但也有其他類型的固態電壓抑制裝置，如二極管，齊納二極管和抑制器，它們都可用于某些交流或直流電壓壓電應用和壓敏電阻。

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