壓敏電阻是一種無(wú)源雙端固態(tài)半導(dǎo)體器件，用于為電氣和電子電路提供保護(hù)。
與提供過(guò)流保護(hù)的保險(xiǎn)絲或斷路器不同，壓敏電阻通過(guò)電壓鉗位提供過(guò)壓保護(hù)，其方式與齊納二極管類(lèi)似。
“壓敏電阻”這個(gè)詞是VARI -able res- STOR這個(gè)詞的組合，用于描述它們?cè)谠缙陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中的運(yùn)行方式，這有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)閴好綦娮璨荒芟耠娢挥?jì)或變阻器一樣手動(dòng)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(dòng)變化，壓敏電阻隨其電壓的變化自動(dòng)改變其電阻值，使其成為電壓相關(guān)的非線(xiàn)性電阻或簡(jiǎn)稱(chēng)VDR。
壓敏電阻
壓敏電阻的符號(hào)在我們之前的文章里已經(jīng)詳細(xì)講解過(guò)，在這里就不再贅述了。
如今，壓敏電阻的電阻體由半導(dǎo)體材料制成，使其成為一種具有非歐姆對(duì)稱(chēng)電壓和電流特性的半導(dǎo)體電阻器，適用于交流和直流電壓應(yīng)用。
在許多方面，壓敏電阻在尺寸和設(shè)計(jì)上看起來(lái)與電容器相似，并且經(jīng)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(dāng)對(duì)電路施加高壓浪涌時(shí)，結(jié)果通常對(duì)電路造成災(zāi)難性影響，因此壓敏電阻在保護(hù)精密電子電路免受開(kāi)關(guān)尖峰和過(guò)電壓瞬變方面起著重要作用。
瞬態(tài)浪涌源自各種電路和電源，無(wú)論它們是由AC還是DC供電，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ陔娐繁旧韮?nèi)產(chǎn)生或從外部源傳輸?shù)诫娐分?。電路?nèi)的瞬態(tài)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(xiàn)在精密的電子電路和元件上。
最常見(jiàn)的電壓瞬變?cè)粗皇怯筛袘?yīng)線(xiàn)圈和變壓器磁化電流的切換引起的L（di / dt）效應(yīng)，直流電機(jī)開(kāi)關(guān)應(yīng)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(guò)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(fù)直流操作，并具有適合其應(yīng)用的額定電壓。壓敏電阻也可用于直流電壓穩(wěn)定，特別是用于防止過(guò)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(chēng)的一部分通過(guò)允許較低閾值電壓不受影響地以與齊納二極管類(lèi)似的方式操作。
然而，當(dāng)變阻器兩端的電壓（任一極性）超過(guò)變阻器額定值時(shí)，其有效電阻隨著電壓的增加而強(qiáng)烈下降，如圖所示。
壓敏電阻靜電阻
根據(jù)歐姆定律，我們知道固定電阻的電流 - 電壓（IV）特性是直線(xiàn)，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(xiàn)不是直線(xiàn)，因?yàn)殡妷旱奈⑿∽兓瘯?huì)引起電流的顯著變化。下面給出標(biāo)準(zhǔn)壓敏電阻的典型歸一化電壓 - 電流特性曲線(xiàn)。
壓敏電阻特性曲線(xiàn)
從上面我們可以看出，變阻器具有對(duì)稱(chēng)的雙向特性，即變阻器在正弦波形的兩個(gè)方向（象限I和II）中操作，其行為方式類(lèi)似于背對(duì)背連接的兩個(gè)齊納二極管。當(dāng)不導(dǎo)通時(shí)，IV曲線(xiàn)顯示出線(xiàn)性關(guān)系，因?yàn)榱鬟^(guò)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(kāi)路的作用，并且在變阻器兩端的電壓（任一極性）達(dá)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(guī)定的1mA直流電流下測(cè)量的壓敏電阻兩端的電壓。也就是說(shuō)，在其端子上施加的DC電壓電平允許1mA的電流流過(guò)變阻器電阻體，其本身取決于其構(gòu)造中使用的材料。在該電壓電平下，變阻器開(kāi)始從其絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。
當(dāng)變阻器兩端的瞬態(tài)電壓等于或大于額定值時(shí)，由于半導(dǎo)體材料的雪崩效應(yīng)，器件的電阻突然變得非常小，使變阻器變成導(dǎo)體。流過(guò)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(huà)說(shuō)，壓敏電阻通過(guò)允許更多的電流流過(guò)它來(lái)自我調(diào)節(jié)其上的瞬態(tài)電壓，并且由于其陡峭的非線(xiàn)性IV曲線(xiàn)，它可以在很窄的電壓范圍內(nèi)通過(guò)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(gè)端子之間的變阻器的主導(dǎo)電區(qū)域表現(xiàn)得像電介質(zhì)，在其鉗位電壓以下，變阻器的作用類(lèi)似于電容器而不是電阻器。每個(gè)半導(dǎo)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(dāng)用于直流電路時(shí)，壓敏電阻的電容或多或少保持恒定，只要施加的電壓不會(huì)增加到高于鉗位電壓電平，并且在其最大額定連續(xù)直流電壓附近突然下降。
然而，在AC電路中，該電容會(huì)影響器件在其IV特性的非導(dǎo)通泄漏區(qū)域中的體電阻。由于它們通常與電氣設(shè)備并聯(lián)以保護(hù)其免受過(guò)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(guān)系與頻率近似成線(xiàn)性，并且所得到的并聯(lián)電阻，其AC電抗，Xc可以使用通常的1 /（2πC）來(lái)計(jì)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(dǎo)體的壓敏電阻之外，還開(kāi)發(fā)了金屬氧化物壓敏電阻，以克服與其碳化硅同類(lèi)相關(guān)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(jiǎn)稱(chēng)，是一個(gè)電壓相關(guān)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(jiàn)的電壓鉗位器件，可用于各種電壓和電流。在其結(jié)構(gòu)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(kāi)始導(dǎo)通，并在電壓低于閾值電壓時(shí)停止導(dǎo)通。標(biāo)準(zhǔn)碳化硅（SiC）壓敏電阻和MOV型壓敏電阻之間的主要區(qū)別在于，通過(guò)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(tài)中的操作速度要快得多。
MOV通常具有徑向引線(xiàn)和堅(jiān)硬的外部藍(lán)色或黑色環(huán)氧樹(shù)脂涂層，其非常類(lèi)似于盤(pán)式陶瓷電容器，并且可以以類(lèi)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(jié)構(gòu)如下：
金屬氧化物壓敏電阻結(jié)構(gòu)
要為特定應(yīng)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(duì)于輸入線(xiàn)路或相位瞬變，正確的MOV的選擇稍微困難一些，因?yàn)橥ǔｋ娫吹奶匦允俏粗?。一般而言，MOV選擇電路電源瞬態(tài)和尖峰的電氣保護(hù)通常只是一個(gè)有根據(jù)的猜測(cè)。
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(guò)1000伏交流或直流，因此可以通過(guò)了解電源電壓來(lái)幫助選擇。例如，選擇MOV或硅壓敏電阻，對(duì)于電壓，其最大連續(xù)均方根電壓額定值應(yīng)略高于最高預(yù)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(yīng)。
壓敏電阻將采用的最大浪涌電流值取決于瞬態(tài)脈沖寬度和脈沖重復(fù)次數(shù)?？梢詫?duì)瞬態(tài)脈沖的寬度做出假設(shè)，其通常為20至50微秒（μs）長(zhǎng)。如果峰值脈沖電流額定值不足，則壓敏電阻可能會(huì)過(guò)熱并損壞。因此，如果壓敏電阻在沒(méi)有任何故障或退化的情況下運(yùn)行，它必須能夠快速消散瞬態(tài)脈沖的吸收能量并安全地返回到其預(yù)脈沖狀態(tài)。
壓敏電阻應(yīng)用
壓敏電阻具有許多優(yōu)點(diǎn)，并且可以用于許多不同類(lèi)型的應(yīng)用中，用于抑制從家用電器和照明到AC或DC電力線(xiàn)上的工業(yè)設(shè)備的市電瞬變。壓敏電阻可以直接連接在主電源和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之間，以保護(hù)晶體管，MOSFET和晶閘管橋。
壓敏電阻應(yīng)用電路圖
壓敏電阻總結(jié)
在本教程中，我們已經(jīng)看到電壓相關(guān)電阻器或VDR 的基本功能是保護(hù)電子器件和電路免受電壓浪涌和尖峰的影響，例如感應(yīng)開(kāi)關(guān)瞬變產(chǎn)生的電壓浪涌和尖峰。
因?yàn)檫@種變阻器用于敏感電子電路中以確保如果電壓突然超過(guò)預(yù)定值，變阻器將有效地變成短路以保護(hù)電路，使其避免過(guò)電壓，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺軘?shù)百個(gè)安培峰值電流。
壓敏電阻是一種具有非線(xiàn)性，非歐姆電流電壓特性的電阻器，是一種可靠且經(jīng)濟(jì)的方法，可提供過(guò)壓瞬態(tài)和浪涌保護(hù)。
它們通過(guò)在較低電壓下充當(dāng)高阻阻擋器件并在較高電壓下充當(dāng)良好的低電阻導(dǎo)電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。壓敏電阻在保護(hù)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(pán)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(chēng)為“變阻器電壓”，當(dāng)電流為1mA時(shí)，壓敏電阻上的電壓通過(guò)器件。當(dāng)器件開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)，該變阻器電壓電平基本上是IV特性曲線(xiàn)上的點(diǎn)。金屬氧化物壓敏電阻也可以串聯(lián)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(tài)過(guò)電壓，但也有其他類(lèi)型的固態(tài)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(yīng)用和壓敏電阻。
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