深入浅出解析常用元器件压敏电阻系列


“压敏电阻器”,国际电工委员会(IEC)在其标准中称为“voltage dependent resistor”,而业界和学术界更为广泛使用的名称为“varistor”,即由variable和resistor两个英文单词组合而成的组合词,顾名思义,压敏电阻器是一种电阻值随着外加电压变化而敏感变化的电阻器,它的主要用途是异常过电压的感知、抵制和浪涌能量的吸收。


  从材料组成上看,压敏电阻是由电子级粉体材料——氧化锌、氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰、氧化镍、氧化铬等多种氧化物全成的,其中氧化锌的含量最高,约占90%,为主基料。


  上图为典型的压敏电阻20D201K随外加电压从180V上升到420V,其电阻值从18 下降到0.42 的曲线,在这个变化过程中,外部电压的变化只有2倍多一点,而电阻值则下降了近4300万倍,这个曲线可以帮助我们直观的感受压敏阻器的“压敏”特性。


  压敏电阻参数


  压敏电阻最重要的几个参数包括:压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。


  压敏电压,是指外加电压高于某个电压后,压敏电阻器的电阻值迅速变小的一个拐点电压。但是这一电压测量不便,为了参数标准化的需要,国际电工委员会人为规定了两个测量压敏电压的直流参考电流为1mA和0.1mA,将在这一电流下测量所得电压人为规定为压敏电压。所以严格来讲,压敏电阻的手册上所标的压敏电压,已经不是压敏电阻的“压敏”电压。


  通流容量,即最大峰值电流值(maximum peak current),即压敏电阻能够承受的波形为8/20uS(业界浪涌测试标准波形)的最大浪涌电流峰值。目前压敏电阻器的手册中通常给出两个能量容量的参数,一个是一次8/20uS浪涌冲击指标,一个是两次8/20uS浪涌冲击指标。


  结电容,压敏电阻在导通前的电阻值非常大,可视为电介质,两个电极间存在着纳法级的电容,需要格外注意。也正是由于这个原因,压敏电阻器少用于高频电路和数字电路中。

   响应时间,一般意义上是指一个器件从外界触发到器件开始动作的时间差,但是对于压敏电阻而言,响应时间不是这样定义的,这一点需要格外注意。在IEEE的标准中,压敏电阻的响应时间定义如上图所示。图中Vc是指压敏电阻过8/20uS冲击后的残压,而压敏电阻器响应时间是指从电压峰值点t1到50%残压点的时间差。


上图为某厂商生产的压敏电阻器的datasheet,从图中可以查到上述我们比较关心的压敏电阻主要参数。


  压敏电阻与气体放电管、TVS管的区别


  压敏电阻、气体放电管、TVS管(瞬间抑制二极管)三种器件都限压型的浪涌保护器件,都被用来在电路中用作浪涌保护,那么他们有什么之间有什么差异呢?


  在反应时间上,压敏电阻介于TVS和气体放电管之间,TVS管为皮秒级,压敏电阻略慢,为纳秒级;而气体放电管最慢,通常为几十个纳秒甚至更多。


  在通流容量上,压敏电同样介于TVS和气体放电管之间,TVS管通常只有几百A;而压敏电阻按不同规格,可通过数KA到数十KA的单次8/20uS浪涌电流;而对于气体放电管来说通常十KA级别8/20uS浪涌电流可导通数百次。


  从原理上看,TVS管基于二极管雪崩效应;压敏电阻器基于氧化锌晶粒间的势垒作用;而气体放电管则是基于气体击穿放电。


  在电压范围方面,TVS管通常为5.5V到550V;压敏电阻的范围较宽,可从10V到9000V;而气体放电管可从75V到3500V。


  压敏电阻在防雷电路中的作用


  压敏电阻经常被用于仪器设备的电源入口处进行防雷、防浪涌设计,在此类用途中,通常将压敏电阻与气体放电管、熔断器、热敏电阻等器件一起作用,相互结合来更好的发挥作用。


  上图为一典型的防雷抗浪涌电路结构。RV1~RV3为压敏电阻,GAS为气体放电管,F1、F2为保险管。RV1用来防护差模浪涌电压,RV2、RV3、GAS三者相结合用来进行共模浪涌电压的保护。保险丝用来进行短路保护,防止压敏电阻击穿而发生短路。


  图中由RV2、RV3、GAS相结合而构成的共模浪涌保护电路结合了压敏电阻与气体放电管的优点,相互弥补各自的缺点,是一种常用的浪涌保护电路。气体放电管的通流容量大,在,但动作时间长,漏电流大,而压敏电阻响应速度快且漏电流小。



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