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压敏电阻选用的基本知识 什么是压敏电阻器及其分类与参数 压敏电阻器简称VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。它在电路中用文字符号“RV”或“R”表示，图1-21是其电路图形符号。 （一）压敏电阻器的种类 压敏电阻器可以按结构、制造过程、使用材料和伏安特性分类。 1．按结构分类 压敏电阻器按其结构可分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器和薄膜压敏电阻器等。 结型压敏电阻器是因为电阻体与金属电极之间的特殊接触，才具有了非线性特性，而体型压敏电阻器的非线性是由电阻体本身的半导体性质决定的。 2．按使用材料分类 压敏电阻器按其使用材料的不同可分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏电阻器、锗（硅）压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻器等多种。 3．按其伏安特性分类 压敏电阻器按其伏安特性可分为对称型压敏电阻器（无极性）和非对称型压敏电阻器（有极性）。 （二）压敏电阻器的结构特性与作用 1．压敏电阻器的结构特性 压敏电阻器与普通电阻器不同，它是根据半导体材料的非线性特性制成的。 图1-22是压敏电阻器外形，其内部结构如图1-23所示。 普 通电阻器遵守欧姆定律，而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大， 内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电 压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最大限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。 2．压敏电阻器的作用与应用 压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。 图1-24是压敏电阻器的典型应用电路。 （三）压敏电阻器的主要参数 压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。 1．压敏电压 MYG05K规定通过的电流为0.1mA，MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K标称电压是指通过1mA直流电流时，压敏电阻器两端的电压值。 2．最大允许电压（最大限制电压）此 电压分交流和直流两种情况，如为交流，则指的是该压敏电阻所允许加的交流电压的有效值，以ACrms表示，所以在该交流电压有效值作用下应该选用具有该最 大允许电压的压敏电阻，实际上V1mA与ACrms间彼此是相互关联的，知道了前者也就知道了后者，不过ACrms对使用者更直接，使用者可根据电路工作 电压，可以直接按ACrms来选取合适的压敏电阻。在交流回路中，应当有minU1mA ≥2.2～2.5Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。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。对 直流而言在直流回路中，应当有minU1mA ≥1.6～2Udc，式中Udc为回路中的直流额定工作电压。在交流回路中，应当有minU1mA ≥2.2～2.5Uac，式中Uac为回路中的交流工作电压的有效值。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，应当有minU1mA≥1.2～1.5Umax，式中Umax为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指 标来定。一般而言，压敏电阻的通流容量要大于等于防雷电路设计的通流容量。 3．通流容量 通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。一般过压是一 个或一系列的脉冲波。实验压敏电阻所用的冲击波有两种，一种是为8/20μs波，即通常所说的波头为8μs波尾时间为20μs的脉冲波，另外一种为2ms 的方波，如下图所示 4．最大限制电压 最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值，它表示在规定的冲击电流Ip通过压敏电阻时次两端所产生的电压此电压又称为残压，所以选用的压敏电 阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平Vo,否则便达不到可靠的保护目的，通常冲击电流Ip值较大，例如2.5A或者10A，因而压敏电阻对应的最大限制 电压Vc相当大，例如MYG7K471其Vc775Ip10A时。 5．最大能量能量耐量 压敏电阻所吸收的能量通常按下式计算WkIVTJ 其中I流过压敏电阻的峰值 V在电流I流过压敏电阻时压敏电阻两端的电压 T电流持续时间 k电流I的波形系数 对 2ms的方波 k1 8/20μs波 k1.4 10/1000μs k1.4 压敏电阻对2ms方波，吸收能量可达330J每平方厘米；对8/20μs波，电流密度可达2000A每立方厘米，这表明他的通流能力及能量耐量都是很大的 一般来说压敏电阻的片径越大，它的能量耐量越大，耐冲击电流也越大，选用压敏电阻时还应当考虑经常遇到能量较小、但出现频率次数较高的过电压，如几十秒、 一两分钟出现一次或多次的过电压，这时就应该考虑压敏电阻所能吸收的平均功率。 6．电压比 电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。 7．额定功率 在规定的环境温度下所能消耗的最大功率。 8．最大峰值电流 一次以8/20μs标准波形的电流作一次冲击的最大电流值，此时压敏电压变化率仍在10以内。2次以8/20μs标准波形的电流作两次冲击的最大电流值，两次冲击时间间隔为5分钟，此时压敏电压变化率仍在10以内。 9．残压比 流过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压。残压比则的残压与标称电压之比。 10．漏电流 漏电流又称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器的电流。 11．电压温度系数 电压温度系数是指在规定的温度范围（温度为2070℃）内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变1℃时压敏电阻两端的相对变化。 12．电流温度系数 电流温度系数是指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相对变化。 13．电压非线性系数 电压非线性系数是指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。 14．绝缘电阻 绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线（引脚）与电阻体绝缘表面之间的电阻值。 15．静态电容 静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量。 压敏电阻标称参数 nUn7U/ 压敏电阻用 字母“MY”表示，如加J为家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分别用于稳压、过压保护、高频电路、防雷、灭弧、消噪、补偿、消磁、 高能或高可靠等方面。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电能量，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。压敏电阻的选用，一般选 择标称压敏电压V1mA和通流容量两个参数。 W7kLC| Fp _WtTGma4 1、所谓压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，其产品的压敏电压范围 可以从10－9000V不等。可根据具体需要正确选用。一般V1mA1.5Vp2.2VAC，式中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压 的有效值。ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的，它关系到保护效果与使用寿命。如一台用电器的额定电源电压为220V，则压敏电阻电压值V1mA 1.5Vp1.51.414220V476V，V1mA2.2VAC2.2220V484V，因此压敏电阻的击穿电压可选在470－ 480V之间。 h\DnOs_ kqLf W* ck 70 年代末到80年代，基础理论研究取得了重大进展。据不完全统计，截止到1998年，公开发表的论文和专利说明书等累计达700多篇，其中有关基础研究的约 占一半。在基础研究的推动下，80～90年代，压敏陶瓷的材料开发速度大大加快，目前已取得的成果有 cGgEqh 8 化学共沉淀法和热喷雾分解法压敏电阻复合粉体制备技术； z]{JjY 9 压敏电阻的微波烧结技术； [.92uuD 10 无势垒氧化锌大功率线性电阻。 UCqs h PuT K -0k 39eU 2 压敏电阻器的应用原理 B5_2.0）。 这两种配方的性能差别造成了许多应用上的“死区”，例如在10kV电压等级的输配电系统中已经广泛采用了真空开关，由于它动作速度快、拉弧小，会在 操作瞬间造成极高过压和浪涌能量，如果选用高压型压敏电阻加以保护（如氧化锌避雷器），虽然它电压梯度高、成本较低，但能量容量小，容易损坏；如果选用高 能型压敏电阻，虽然它能量容量大，寿命较长，但电压梯度低，成本太高，是前者的5～13倍。 在中小功率变频电源中，过压保护的对象是功率半导体器件，它对压敏电阻的大电流特性和能量容量的要求都很严格，而且要同时做到元件的小型化。高能型压 敏电阻在能量容量上可以满足要求，但大电流性能不够理想，小直径元件的残压比较高，往往达不到限压要求；高压型压敏电阻的大电流特性较好，易于小型化，但 能量容量不够，达不到吸能要求。目前中小功率变频电源在国内外发展非常迅速，国内销售量已近100亿元/年，但压敏电阻在这一领域的应用几乎还是空白。 压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，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。 解决上述问题的有效方法是提高高压型压敏电阻的能量密度，或提高高能型压敏电阻的电压梯度和非线性系数（降低残压比），即开发高压高能型压敏电阻。 5 应用纳米材料改性压敏电阻 氧化锌压敏陶瓷属体型压敏材料，电压、电流特性对称，压敏电压和通流能力可以控制，具有很高的非线性系数，成为当今压敏材料中的一个重要分支。为了解决高 压型压敏电阻与高能型压敏电阻应用上的“死区”，提出添加纳米材料进行压敏电阻改性实验研究，制得高压高能型压敏电阻，将能大幅度提高电压梯度、非线性系 数和能量密度。 到目前为止，在亚微米级前驱粉体基础上进行的各种传统改性研究（粉体制备方法的改进、配方和烧结工艺调整等），均无法解决高压高能问题，实现高压高能压敏 电阻是公认的难题。压敏行业的专家普遍认为发展多学科交*研究，利用新技术、新材料对压敏电阻进行改性是解决问题的关键。在各种新技术、新材料的应用方 面，纳米材料已得到广泛重视，也正在形成一种新的发展趋势。目前国内外有相当一批学者正在着手这方面的研究，初步研究结果已经显示出采用纳米材料是实现高 压高能的有效途径。 在国外由前南斯拉夫塞尔维亚科学院Milosevic1994年使用高能球磨法，制成平均粒径100nm以下的复合ZnO压敏电阻粉末，经高温烧结而 成的压敏电阻，非线性系数达到45，烧成密度达到理论密度的99％，而且漏电流比较小。 由此可见，纳米材料可以大幅度提高电压梯度、非线性系数（即降低残压比，改善大电流特性）和能量密度，对实现压敏电阻和高压高能具有重要意义。 但是，当前文献报道所涉及的研究方法仅限于全部使用纳米材料，这种方法工艺复杂、成本高，不便于生产应用。而在采用纳米添加法领域内（使用少量或微量 的纳米粉与亚微米粉相结合的方法），对压敏电阻进行改性研究，这种方法的优点在于 纳米添加法具有选择性，可根据不同的应用需要，有目的地进行单组份纳米添加实验，寻求改性效果最佳的纳米材料和添加比例，因而原料成本不会大幅度增加。 制备方法简单，基本上改变压敏电阻的现有生产方法，研究成果便于直接应用到生产实际中去。 6 结 论 综上所述，压敏电阻器应用趋向为有引线的压敏电阻器近两年来仍有一定幅度的增长，目前为总需求的55％～60％；由于手持式电子产品的广泛使用，片式无 引线压敏电阻器市场增长率将不断提高，将逐步超过有引线的压敏电阻器产量，成为今后的主流产品。在研究和产品开发方面，采用纳米添加改性压敏电阻，研究开 发一种全新概念的氧化锌压敏电阻，实现压敏电阻的高压高能化，将具有很好的市场前景和实际应用价值。 一、压敏电阻的安全性问题 压敏电阻起火燃烧的表观现象，大体上可分为老化失效和暂态过电压破坏两种类型在以往的应用中，跨接在电源线上的压敏电阻器出现过起火燃烧，危机临近其 它元器件的事故。对此，制造者和使用者共同进行了大量研究和分析工作，采取了相应的对策，极大地降低了这类事故的概率，但尚未杜绝，因此，压敏电阻的使用 安全性仍是个值得重视、需要继续研究解决的课题。 压敏电阻起火燃烧的表观现象，大体上可分为老化失效和暂态过电压破坏两种类型。 ①老化失效，这是指电阻体的低阻线性化逐步加剧，漏电流恶性增加且集中流入薄弱点，薄弱点材料融化，形成1kΩ左右的短路孔后，电源继续推动一个较大 的电流灌入短路点，形成高热而起火。这种事故通常可以通过一个与压敏电阻串联的热熔接点来避免。热熔接点应与电阻体有良好的热耦合，当最大冲击电流流过时 不会断开，但当温度超过电阻体上限工作温度时即断开。研究结果表明， 若压敏电阻存在着制造缺陷，易发生早期失效， 强度不大的电冲击的多次作用，也会加速老化过程，使老化失效提早出现。 ②暂态过电压破坏，这是指较强的暂态过电压使电阻体穿孔，导致更大的电流而高热起火。整个过程在较短时间内发生，以至电阻体上设置的热熔接点来不及熔 断。在三相电源保护中，N-PE线之间的压敏电阻器烧坏起火的事故概率较高，多数是属于这一种情况。相应的对策集中在压敏电阻损坏后不起火。一些压敏电阻 的应用技术资料中，推荐与压敏电阻串联电流熔丝（保险丝）进行保护。 二、压敏电阻的连接线问题 将压敏电阻接入电路的连接线要足够粗，推荐的连接线的尺寸注接地线为5.5 mm2以上连接线要尽可能短，且走直线，因为冲击电流会在连接线电感上产生附加电压，使被保护设备两端的限制电压升高。 压敏电阻通流量 ≤600A 600～2500A 2500～4000A 4000～20KA 导线截面积 ≥ 0.3 mm2 ≥ 0.5 mm2 ≥ 0.8 mm2 ≥ 2 mm2 例如若压敏电阻MY两端各有3 cm长的接线，它的电感量L大体为18 nH，若有10 KA的8/20冲击电流流入压敏电阻，把电流的升速看作10KA / 8Μs，则引线电感上的附加电压UL1、UL2大体为 UL1 UL2Ldi/dt1810-9 10103 / 810-6 22.5 V 这就使限制电压增高了45V。 三、压敏电阻的串联和配对 压敏电阻可以很简单地串联使用。将两只电阻体直径相同（通流量相同）的压敏电阻串联后，漆压敏电压、持续工作电压和限制电压相加，而通流量指标不变。 例如在高压电力避雷器中，要求持续工作电压高达数千伏，数万伏，就是将多个ZnO压敏电阻阀片迭和起来（串联）而得到的。 压敏电阻可以并联，目的是获得更大的通流量，或者在冲击电流峰值一定的条件下减小电阻体中的电流密度，以降低限制电压。 当要求获得极大的通流量［ 例如8/20，（50～200）KA ］，且压敏电压又比较低（例如低于200V）时，电阻体的直径 / 厚度比太大，在制造技术上有困难，且随着电阻体直径的加大，电阻体的微观均匀性变差，因此通流量不可能随电阻体面积成比例地增大。这时用较小直径的电阻片并联可能是个更合理的方法。 由于高非线性，压敏电阻片的并联需要特别小心谨慎，只有经过仔细配对，参数相同的电阻片相并联，才能保证电流在各电阻片之间均匀分配。针对这种需求，本公 司专门为用户提供配对的电阻片。 此外，纵向连结的几个压敏电阻器，使用经过配对的参数一致的压敏电阻器后，当冲击侵入时，出现在横向的电压差可以很小。在这种情况下，配对也是有意义的。 四、压敏电阻与气体放电器件的串联和并联 压敏电阻可以与气体放电管、空气隙、微放电间隙等气体放电器件相串联（图10.5a），这个串联组合的正常工作要满足两个基本条件①、系统电压 上限值应低于气体放电器件G的直流击穿电压；②、G点火后在系统电压上限值下，压敏电阻MY中的电流应小于G的电弧维持电流，以保证G的熄弧。 这种串联组合具有电容量小，工作频率高；漏电流极小安全性好；以及不存在压敏电阻MY在系统电压下老化的问题，因而可靠性高等优点，但同时也有气体放电器 件相应慢所引起的“让通电压“问题。 压敏电阻也可与气体放电管并联，以降低气体放电管的冲击点火电压。 雷电与防雷误区 随 着电子技术的发展，电子器件已进入大规模集成电路时代。电子设备的功能得以改善，运行的可靠性不断提高，然而防雷的能力却大大地降低了。现在，每年遭到雷 击而造成的损失数以亿元计，所以研究保护微电子设备免遭雷电危害已成为一个重要课题。虽然近两个世纪出现了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于对 雷电的了解不全面或对器件性能的偏见，往往得不到预期的效果。由于不得其法，浪费了大量资财。本文阐述雷电的成因并指出当前防雷误区，力图打破似乎冻结的 防雷方法的规范，以求防雷研究的进展。 1 雷电的形成 1.1 自然界的自由电荷 在电子学中，当人们研究电的现象时发现构成物质的微单元的原子中，围绕原子核高速旋转的外层电子易受外界条件的影响而逸出，使原子缺少电子或者自由电子单 独存在而对外部形成电场的带电现象。 金属导体和绝缘体的内部结构区别在于金属导体中的自由电子内部引力较弱，而绝缘体内部引力较强。所以在金属导体环路中，如加上一种使自由电子逸出的力量 （这个力量我们叫电压），由于环路中电压的存在，金属中的电子产生位移式的流动，不过金属内的正负电荷量的绝对值是相等的，一旦去掉加在环路中的电压，环 路立即处于中性，没有电子的流动，不再产生电场。 对非环路的金属，比如两块相互平行的金属板，它们之间以空气为介质，如在这两块板上加上电压，金属导体中的电子按同性相斥，异性相吸规律，使电子向一面流 动，产生电场，这种现象称为静电现象。这时对某一块金属来说，它们电荷的正负电量的绝对值就不相等了，这时如去掉加在其上的电压，它不像环路那样呈现电中 性，却仍保持带电性质，仍然有电场的存在，但是随着时间的推移，这个电场会自然消失。正统的理论解释为A片金属的电子通过介质层逐步释放给B片金属的结 果，这是以环路电流理论为依据的论点。但是，如果将两块已充了电的金属块瞬间拉开到不可能从A向B释放电子的距离，两块金属会不会永久性地带电呢事实告 诉我们，随着时间的推移带电现象也随之消失，这是什么原因呢教科书上提到的摩擦起电现象，即绝缘体相互摩擦后，绝缘体出现带电现象，在这种情况下，是否 需要两件物体再接触一下才能使绝缘体呈现带电中性呢事实并非如此，这些悬于空间的带电物体，不管带电性质如何，只要与大地接触一下，带电现象就立即消 失。因此这种现象告诉我们，在自然界中，A给B的电荷，A不必从B收回，B多余的电荷也不一定向A输出，这与金属环路电流理论是不相同的。同时可以推定， 自然空间（包括大地在内）各种物体电荷的拥有量的绝对值是不相等的，就是说自然界拥有巨大的自由电荷量。 自然界之所以拥有大量的自由电荷，从电势形成概念而言，有电磁效应、化学效应、摩擦起电及射线等诸方面原因，现代科学可以做到测量人脑电流的运动来判断脑 的活动。自然界的自由电荷的成因，用能量守恒定律来规范，可以这样说凡有物质运动的地方（包括宇宙射线），就会产生电子运动并形成自由电荷，这是一种能 转换成另一种能的变换过程，所以自然界物质的运动是自然界产生自由电荷的根源。 所谓自然界，包括天空与大地这样广阔的空间，这个空间不存在电荷的中性，就大地而言，我们称之为零电位，但大地本身因物质的运动其电位并非为零，它拥有大 量的自由电荷，我们可以做一个简单的小实验用一副耳机，或者一只毫伏表，两根同金属性质的金属棒，在一定距离内分别将金属棒插入地下，棒与棒之间用耳机 可以听到地电荷的噪音，如果接上毫伏表发现有电压指示，而这种指示不因放电时间的加长而消失，单线传输的电话线路，电话的耳机里的噪音也连续不断，这些都 说明大地自由电荷的存在。当然用上述方法无法测量天空自由电荷，但是我们用长波和中波收音机收听电台时，噪音干扰也连续不断，以此证明，天空中有不断的放 电现象，说明天空中存在丰富的自由电荷，同时又能形成一定强度的电场放电。 这里反复地论证自然界存在自由电荷，其目的是要解释雷电产生的根源，因为教科书上的环路理论不能对雷电成因进行解释。 1.2 雷电场的产生 雷电的能量是巨大的，在人类活动中，任何单一的电站所发出的电能不可能产生一次雷电所释放的能量，那么这样大的能量积聚是怎样形成的呢 上面说过，由于物质的运动自然界产生巨大的自由电荷，当然这些自由电荷是产生雷电的根源。从电子学中得知，要形成一个强大的电场，一定是其中一方是同性质 电荷的积累，但是在天空中空气是绝缘的，同性质的电荷又相斥，它们不可能积聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物质受气流、宇宙射线的影响而产生自 由电荷，且不断增加，在大气层的挤压下向太空高层运动，形成一个电离层，这个电离层是含单性电荷的电子层，其电场的能量是不可估量的。 当大气层中出现潮湿的空气，在上升阶段又遇冷空气结成水状云块时，由于云块可看成是一个整体的导体，在电离层电场力的作用下，云层中的电子推向面向地的一 端，虽然云块正负电荷的绝对值相等，但实际上形成了一个静电场，在晴天，云块远距地面而且云块与大地间潮湿空气较稀，它们之间介质绝缘程度较高，不易发生 击穿放电现象，但是在雨天，特别是热雨季节，由于云层下降，空气潮湿，在此条件下带电云块击穿空气向大地放电而形成雷电。 雷电不单纯是空间对地放电，往往在空间也会形成雷电。这是因为带电云块在空间的位置较高，当地面的潮湿空气急速上升时，它与带电云块形成的电场在空间放电，形成高空雷电。 上面说过，云块受电离层电场力的作用产生静电现象，这些云块向地放电以后，其本身产生电离即云块的正负电量的绝对值不相等，形成带电现象，带电云块随着气 流运动与另一云块形成电场，当它们逐渐接近时产生放电