本文主要介绍防浪涌电路中的元器件之压敏电阻以及一些常用的电路。

 

1、概述:

 

防浪涌电路中的元器件主要有气体放电管、压敏电阻、TVS管、TSS管、保险管、熔断器、空气开关、还有电感、电阻、电容等。

 

本文我们来详细分析压敏电阻的工作原理。

 

压敏电阻，简称VDR（Voltage Dependent Resistor，在电路图中有时用VR标识，如下图所示：

目前，市面上的压敏电阻多为氧化锌为（ZnO）主体材料，掺杂多种金属氧化物，所以有的电路图中用MOV（Metal Oxide Varistors 金属氧化物压敏电阻）标识，如下图所示：

它是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件，其结构图如下图所示：

如下图所示为其常用原理图符号：

 

压敏电阻上面一般有丝印，丝印标识解释如下：

其封装通常是插件式的，也有很多贴片式的，如下为某平台搜索压敏电阻时的结果：

物如其名，压敏电阻的是对电压敏感的器件，是一种限压型浪涌保护器件｡

 

当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

 

压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌能量，但不能承受毫安级以上的持续电流，在用作过压保护时必须考虑到这一点。

 

压敏电阻的主要参数有压敏电压、 通流容量、 结电容及响应时间等，如下图所示为某品牌压敏电阻的参电气特性：

 

下面对表中参数进行简单介绍：

 

压敏电压（Varistor voltage）：即击穿电压或者阈值电压，指在规定的直流电流流过压敏电阻时，压敏电阻两端的直流电压值，通常被称为UB。

 

该值大多数情况下是在 1mA直流电流通入压敏电阻时测得的电压值。

 

其产品电压范围可从 10-9000V不等，可根据需要正确选用。

 

最大允许工作电压（Max.Allowable Voltage）：在环境温度25℃下，允许连续施加在压敏电阻上的最大正弦电压的有效值UAC（总谐波失真通常小于5%）或者直流工作电压值UDC。

 

最大耐受的能量（Max.Energy）：使压敏电阻压敏电压波动±10%时的最大能量，测试电压为10/1000us（10us上升时间，1000us半峰值时间）。

 

有的压敏电阻测试条件为8/20us。如下图所示：

 

80/20us代表一个上升时间为8µs，半峰值时间为20 µs的冲击电流波形，如下图所示：

最大钳位电压（Max.Clamping Voltage）：在标准脉冲电流波形下（8/20us）压敏电阻两端的最大电压。

 

耐冲击电流（Withstanding Surge Current）：有的文章中也称为通流容量。

 

即在环境温度为25℃情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过±10％时的最大脉冲电流值。

 

额定功率（Rated Power）：在25℃的环境温度下的最大允许平均功耗。

 

典型电容（Typical Capacitance）：等效的典型结电容。该容值相较于TVS以及空气放电管比较大。测试条件中有的是在1KHz条件下侧得，有的是在1MHz条件下测得，如下所示：

 

压敏电阻主要可用于直流电源､ 交流电源､ 低频信号线路､ 带馈电的天馈线路。

 

在正常的工作条件下，压敏电阻的电阻很高，当两端电压超过变压器额定值时，其电阻会随着电压的增加而急剧下降。

根据这个特点，其I/V曲线如下所示：

根据曲线我们可以看出，不导通时，I/V曲线保持线性关系，当两端电压超过压敏电压时，由于半导体材料的雪崩效应，压敏电阻呈现类导通状态，电压被限制在一定的电平下。

 

2、压敏电阻使用时的注意事项：

 

压敏电阻结电容比较大，所以不宜直接应用在高频信号线路的保护中。

 

应用在交流电路的保护中时, 因为其结电容较大, 会增加漏电流, 所以在设计保护电路时需要充分考虑｡ 

 

压敏电阻的响应时间为ns级, 比空气放电管快（有关空气放电管的文章请参考《气体放电管》）, 比TVS管稍慢一些, 一般情况下用于电子电路的过电压保护时, 其响应速度可以满足要求｡

 

下图为几种常用浪涌器件在标准冲击电压下的响应对比：

压敏电阻的通流容量较大, 但比气体放电管小｡ 压敏电阻的压敏电压 (UB )､ 通流容量是电路设计时应重点考虑的｡

 

为了延长器件的使用寿命，ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。

 

如手头产品的通流量不能满足使用要求时，可将几只单个的压敏电阻并联使用。

 

并联后的压敏电不变，其通流量为各单只压敏电阻数值之和。

 

要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同，否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。

 

在直流回路中, 在选型时应当:

 

UB  ≈(1.8~2) Udc 

 

 式中, Udc 为回路中的直流工作电压｡ 

 

在交流回路中, 应当：

 

UB ≈ (2.2~2.5) Uac 

 

式中, Uac 为回路中的交流工作电压｡

 

上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时, 有适当的安全裕度｡ 

 

在信号回路中时, 应当:

 

UB ≈ (1.2~ 1.5) Umax

 

式中, Umax 为信号回路的峰值电压｡

 

压敏电阻的失效模式主要是短路, 当通过的过电流太大时, 也可能造成因阀片被炸裂而开路｡

 

压敏电阻使用寿命较短，经多次冲击后性能会下降。因此，由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。

 

压敏电阻也会受温度的影响，某品牌压敏电阻工作温度的降额曲线如下所示（不同品牌和系列的不同）：

 

压敏电阻器受损时，可能出现破碎飞散，因此要对集成产品加保护盖或外盒。

 

请勿安装在可燃物品（塑料电线、树脂合成物等）附近。若无法避免，请使用不燃性保护外壳。

 

下面分享几个典型应用电路：

 

在DC或者AC单相的线间使用时，将保险丝与压敏电阻器串联，如下图所示：

在线-地间使用时，压敏电阻器短路时会产生接地电阻，电流保险丝不会熔断，可能引起压敏电阻器外涂层树脂冒烟或起火。

 

为避免上述情况，请在电源端安装漏电断路器。如无漏电断路器，则需将电流保险丝与温度保险丝串联使用。如下图所示：

在AC三相电的相间使用时，将保险丝与压敏电阻器串联，如下图所示：

AC三相的线-地间使用时，如无漏电断路器，则需将电流保险丝与温度保险丝串联使用。如下图所示：

在带电部件与金属部件之间使用压敏电阻器时，压敏电阻器短路时有触电危险，故请将金属部件接地或勿与人体接触。

 

所用压敏电阻器与电流保险丝的额定电流，一般推荐按下表进行选定：

保险丝的位置请按照前面电路图中所示放置。

 

此外，在用户端，当压敏电阻器损坏时，要确认其设备是否会发生2 次伤害。

 

将压敏电阻器与温度保险丝连接时，用户端请尽量选用热结合较好的保险丝。

 

压敏电阻还有一些其它的应用电路供大家参考：

压敏电阻的使用环境：

 

压敏电阻器不可在室外使用。

 

不可在阳光直射场所、发热源附近或温度超过使用温度范围的场所使用。

 

不可在淋雨、蒸汽、高湿度的场所使用。

 

不可在粉尘或盐分较多的场所以及被腐蚀性气体污染的环境中使用。

 

加工条件：

 

不可采用可能导致外涂层树脂劣化的溶剂（稀释剂、丙酮等）进行清洗。

 

不可施加可能导致外涂层树脂或元件出现破损的冲击或撞击、压力。

 

将压敏电阻器进行树脂镀膜（含护膜塑模）时，不可使用可能导致压敏电阻器劣化的树脂。

 

压敏电阻器外涂层树脂附近的引线部位不可进行强烈折弯或施加外力。

 

焊接时，请在如下条件下进行。且不可将构成压敏电阻器的焊接部位或绝缘材料熔化。

推荐焊接条件如下：

保存条件：

 

压敏电阻器不可保存在高温、高湿场所。保存场所室温 40°C 以下，湿度 75%RH 以下，保存期限为 1 年。

 

长期间保管（1 年以上）时，使用时请确认产品的可焊性。

 

不可保存在腐蚀性气体（硫化氢、亚硫酸、氯气、氨气等）环境中。

 

保存场所避免阳光直射、结露等。