【电路笔记】-压敏电阻

压敏电阻

压敏电阻是一种无源两端固态半导体器件，用于为电气和电子电路提供保护。

1、概述

与提供过电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电压保护，其方式与齐纳二极管类似。

“压敏电阻”一词是 VARI-able resi-STOR 一词的组合，用于描述其开发早期的操作模式，这有点误导，因为压敏电阻不能像电位计或变阻器那样手动改变 。

但与可手动在最小值和最大值之间改变电阻值的可变电阻器不同，压敏电阻器会随着其两端电压的变化而自动改变其电阻值，使其成为电压相关的非线性电阻器或简称为 VDR。

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，并且经常被误认为是电容器。 然而，电容器无法像压敏电阻那样抑制电压浪涌。 当高压浪涌施加到电路时，结果通常会对电路造成灾难性的影响，因此压敏电阻在保护精密电子电路免受开关尖峰和过压瞬变影响方面发挥着重要作用。

2、交流波形瞬变

瞬态浪涌源自各种电路和电源，无论它们是由交流还是直流电源供电，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。 电路内的瞬变会迅速上升，使电压增加到数千伏，必须防止这些电压尖峰出现在精密的电子电路和组件上。

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开关、直流电机开关应用以及荧光灯电路接通时的浪涌或其他电源浪涌引起的 L(di/dt) 效应。

交流波形瞬变

压敏电阻连接在电源跨接的电路中，可以是相到中性线、相到相（用于交流操作）或正极到负极（用于直流操作），并且具有适合其应用的额定电压。 压敏电阻还可用于稳定直流电压，特别是用于防止过压脉冲的电子电路保护。

3、抗静电能力

在正常操作下，压敏电阻具有非常高的电阻，这也是其名称的一部分，其工作方式与齐纳二极管类似，允许较低的阈值电压不受影响地通过。

然而，当压敏电阻两端的电压（无论极性）超过压敏电阻的额定值时，其有效电阻会随着电压的增加而急剧下降，如图所示。

从欧姆定律我们知道，如果 R 保持恒定，固定电阻器的电流-电压 (I-V) 特性是一条直线。 那么电流与电阻器两端的电位差成正比。

交流波形瞬变

4、特性曲线

但压敏电阻的 I-V 曲线不是直线，因为电压的微小变化会导致电流的显着变化。 下面给出了标准压敏电阻的典型归一化电压与电流特性曲线。

从上面我们可以看出，压敏电阻具有对称的双向特性，即压敏电阻在正弦波形的两个方向（I 和 III 象限）上工作，其行为类似于背靠背连接的两个齐纳二极管。 当不导通时，I-V 曲线显示出线性关系，因为流过压敏电阻的电流保持恒定且较低，“泄漏”电流仅为几微安。 这是由于其高电阻充当开路并保持恒定，直到压敏电阻（任一极性）两端的电压达到特定的“额定电压”。

该额定电压或钳位电压是在指定的 1mA 直流电流下测得的压敏电阻两端的电压。 也就是说，施加在其端子上的直流电压水平允许 1mA 的电流流过压敏电阻电阻体，该电阻体本身取决于其构造中使用的材料。 在此电压水平下，压敏电阻开始从绝缘状态变为导通状态。

当压敏电阻两端的瞬态电压等于或大于额定值时，由于其半导体材料的雪崩效应，器件的电阻突然变得很小，使压敏电阻变成导体。 流过压敏电阻的小漏电流迅速上升，但压敏电阻两端的电压被限制在略高于压敏电阻电压的水平。

换句话说，压敏电阻通过允许更多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 I-V 曲线，它可以在狭窄的电压范围内传递广泛变化的电流，从而消除任何电压尖峰。

5、压敏电阻电容值

由于压敏电阻在其两个端子之间的主导电区域的行为类似于电介质，因此在其钳位电压以下，压敏电阻的行为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。

当用于直流电路时，只要所施加的电压不增加到钳位电压水平以上，压敏电阻的电容或多或少地保持恒定，并且在接近其最大额定连续直流电压时突然下降。

然而，在交流电路中，该电容会影响器件 I-V 特性的非导通泄漏区域中的体电阻。 由于压敏电阻通常与电气设备并联以防止过压，因此压敏电阻的漏电阻会随着频率的增加而迅速下降。

这种关系与频率和由此产生的并联电阻、其交流电抗 XC 近似呈线性关系，可以使用普通电容器的常用 1/(2πfC) 来计算。 然后，随着频率的增加，其漏电流也会增加。

但与基于硅半导体的压敏电阻一样，金属氧化物压敏电阻的开发也克服了与碳化硅同类产品相关的一些限制。

6、金属氧化物压敏电阻

金属氧化物压敏电阻（简称 MOV）是一种压敏电阻器，其中电阻材料是金属氧化物，主要是压入陶瓷类材料中的氧化锌 (ZnO)。 金属氧化物压敏电阻由约 90% 的氧化锌（作为陶瓷基材）以及用于在氧化锌颗粒之间形成连接的其他填充材料组成。

金属氧化物压敏电阻现在是最常见的电压钳位器件类型，可在较宽的电压和电流范围内使用。 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，金属氧化物压敏电阻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，在正常工作条件下，通过 MOV 氧化锌材料的漏电流非常小，并且其在钳位瞬态时的工作速度要快得多。

MOV 通常具有径向引线和坚硬的蓝色或黑色环氧树脂外涂层，与圆盘陶瓷电容器非常相似，并且可以以类似的方式物理安装在电路板和 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

要为特定应用选择正确的 MOV，需要了解源阻抗和瞬态可能的脉冲功率。 对于进线或相瞬变，选择正确的 MOV 有点困难，因为电源的特性通常是未知的。 一般来说，用于保护电路免受电源瞬变和尖峰影响的 MOV 选择通常只是一种有根据的猜测。

然而，金属氧化物压敏电阻的压敏电压范围很广，从大约 10 伏到超过 1,000 伏交流或直流，因此了解电源电压有助于选择。 例如，就电压而言，选择 MOV 或任何硅压敏电阻，其最大连续有效值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 伏电源为 260 伏有效值。 电压供应。

压敏电阻承受的最大浪涌电流值取决于瞬态脉冲宽度和脉冲重复次数。 可以根据瞬态脉冲的宽度进行假设，瞬态脉冲的宽度通常为 20 至 50 微秒 (μs)。 如果峰值脉冲电流额定值不足，压敏电阻可能会过热并损坏。 因此，为了使压敏电阻在没有任何故障或退化的情况下运行，它必须能够快速耗散瞬态脉冲吸收的能量并安全地返回到其脉冲前状态。

7、压敏电阻应用

压敏电阻具有许多优点，可用于许多不同类型的应用，用于抑制从家用电器和照明到交流或直流电源线上的工业设备的电源瞬变。 压敏电阻可以直接连接在主电源和半导体开关上，以保护晶体管、MOSFET 和晶闸管桥。

压敏电阻应用

8、总结

在本文中，我们已经了解了电压相关电阻器 (VDR) 的基本功能是保护电子设备和电路免受电压浪涌和尖峰的影响，例如由感应开关瞬变产生的电压浪涌和尖峰。

由于此类压敏电阻用于敏感电子电路中，以确保如果电压突然超过预定值，压敏电阻将有效地形成短路，以保护其分流的电路免受过高电压的影响，因为它们能够承受数百的峰值电流 安培。

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，是提供瞬变过压和浪涌保护的可靠且经济的手段。

它们通过在较低电压下充当高电阻阻断器件以及在较高电压下充当良好的低电阻导电器件来实现这一点。 压敏电阻保护电气或电子电路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（MOV）通常由小型盘状金属氧化锌材料制成。 它们针对特定电压范围有多种值。 MOV 的额定电压称为“压敏电阻电压”，是当 1mA 的电流通过该器件时压敏电阻两端的电压。 该压敏电阻电压电平本质上是器件开始导通时 I-V 特性曲线上的点。 金属氧化物压敏电阻也可以串联以提高钳位电压额定值。

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中以防止瞬态过电压，但还有其他类型的固态电压抑制器件，例如二极管、齐纳二极管和抑制器，它们都可以在某些交流或直流电压中使用 抑制应用以及压敏电阻。