压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例.docx

1、压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例压敏电阻（雷敏）过压保护的数学原理及选择实例1压敏电阻抑制雷击过电压的数学原理/ Lightening Strakezt0Superimposed Owervoltage SourceVaictofElMronk clicuii wttechi k U be prctaclAd02雷击过电压的等顼模型电路中感应到的雷击过电压可用一个冲击电压源来进行等效计算。 当一个如图所示的电路遭到雷电感应时，应用冲击电压源的概念，雷击就是在原有电路中叠 加一个冲击电压源 Vs和该高频冲击电压在线路中的等效阻抗 X S （源阻抗， Source Impedanee）；由于

2、V s Vb，所以在分析雷击过电压时工频电压源 V b 可被忽略不计，如图2所示。VB而言，设备电源线的阻抗是可以忽略不计的，但对高频率的等效雷电压 冲击源VS而言，设备电源线的阻抗是不可忽略的因素， 我们可以将这个阻抗看 成是冲击电压源的组成部分，并称之为源阻抗X s。设备电源线的阻抗与电源线 的长度和电压波的频率有关。一条长约 5m的电源线，其阻抗和频率的关系如 图3所示设备的电源线存在一定的电感和分布电容，一个从电源侧侵入设备的1.2/50卩s雷电压波在传播到设备的入口端时会转变成 Ring Wave波形（假设输 入阻抗无穷大且无压敏电阻保护），该波形的典型频率为 100kHz ,如图4

3、所示。压敏电阻接入电路后，如果 冲击电压源V S的峰值远大于压敏电压 UN，压 敏电阻导通并呈低阻态。由于被保护设备的输入阻抗一般都远大于与之并联的压 敏电阻的导通阻抗 XV ,所以流过压敏电阻的冲击电流峰值 I P及其压敏电阻两 端的导通电压（残压） UR均不受被保护设备的影响。压敏电阻导通时的等效 电路如图5所示。图亍压敏电昭导通时的等效电路根据戴维南定理，冲击电压源的短路电流 I S = V s /Xs 3电源线阻抗才与频率f的关系图4户内设备电原丝末湍开路雷击瞇电压的波形1）压敏电阻在多次雷击下的最大导通电压和最大导通电流当过电压Vs使非线性的 压敏电阻导通时，压敏电阻抑制过电压的原理

4、 如图6所示。图中，load line是一条直线，它与压敏电阻 V /I特性曲线的横轴 相交于I s，与纵轴相交于 V s ; load line与V /I特性曲线相交于 Q点，该 交点就是压敏电阻导通时的工作点，即： Q点所对应的电压ur就是压敏电阻导通时的残压，所对应的电流ip就是压敏电阻导通时流过的冲击电流峰值。生 产厂家提供的V /I特性曲线均为压敏电压为正偏差（+ 10 %）时的情况，因此我们作图得到的u r就是该规格压敏电阻最大的导通电压，得到的 i P也是压 敏电压为正偏差（+ 10 %）时的导通电流，但i p并不是导通电流的最大值。事实上，最大的导通电流i pm发生在压敏电压为

5、负偏差（一10 %）的情况下, 我们可以用式1近似计算出i pm的值。由式1可知，在V S和压敏电阻规格一定时，压敏电阻中的最大的导通电流i pm与源阻抗X S呈反比，X S越大，i pm越小。那么我们如何确定 X S的取值 呢？IEC61000-4-5规定了三类防雷模拟测试的标准，如表1所示。压敏电阻用户 可以根据自己的整机的电源进线方式和使用环境来选定设计计算所需的 V s和X s。为了保证防雷模拟测试能够顺利通过，我们根据选定的 Vs和Xs计算出ipm后，还要从该规格压敏电阻的脉冲电流降额曲线上查出脉冲宽度 20卩S、冲击次数为10的最大允许脉冲电流峰值i max （压敏电阻在连续10次

6、雷击下的 最大通流量），如果i max ipm，则该规格的压敏电阻满足该测试条件下的通流 surge ）要求。表 1 IEC61000-4-5 规定的模拟雷击测试标准严酷 等级开路电压V s(1.2/50 (kV)源阻抗X s ( Q )L、一 L/ NL/N PE其他一级0.521242二级121242三级22匚1242四级421242模拟雷电波冲击10次，正反向各5 次，冲击时间间隔60s图6中的load line是在V /I特性曲线的坐标刻度为十进制下的画法，产品 样本中的V /I特性曲线一般都是用双对数坐标表示，在双对数坐标下，load line 不是一条直线，它的形状如图 7所示。2

7、）压敏电阻在多次雷击下的的平均功率从表1可以看出：IEC61000-4-5规定的模拟雷击测试要求在连续冲击 10次、每次间隔60s的条件下进行。在此条件下，由于间隔时间通常远大于雷击 持续时间，所以压敏电阻的平均功率 P为：16他灯旷T（2）式2中，T为脉冲时间间隔用式2计算出平均功率P后，还需要在产品样本中查出该规格压敏电阻的 额定功率（rated wattage） P 0，如果P 0 P，则该规格的压敏电阻满足该 测试条件下的功率耗散要求。如果P 0 P，我们就可以缩短试验时的脉冲时间间隔，最小的时间间隔 Tmin 为:A JttT2压敏电阻抑制操作过电压的数学原理当过电压是由开断电感元件

8、中的电流引起的， 浪涌电流（surge current）及其等效波形参数可用下面的方法求出。1）操作波的浪涌电流峰值和等效方波持续时间因为电感中的电流不能突变，所以在电感被开断的时刻，压敏电阻中流过的 电流与电感中的电流相等，此时刻后，压敏电阻中的电流 i随电感磁场能量的泄放逐步减小，其衰减规律符合指数函数：i=i oexp(-t/ t ( 4 )式中，i o为初始放电电流（电感在被开断瞬间的电流），时间常数t= L/R 可由电流通路上的电感量 L和电阻R求出。从式4可以看出：当时间t = t 时，电流i已衰减为 初始放电电流i o的1/e （约37 %）。根据数学原理， 式4表示的指数衰减曲

9、线的积分面积相当于一个电流恒等于 i 0、持续时间为t的方波的面积；从电学的角度看这两种电流波形的电荷量相等，如图 8所示。圈指数衰磁电流菠飛的等隸方波T的大小取决于电感量 L、电感线圈的直流电阻 Rc和压敏电阻的导通电阻R v，即:护 L/FC+Rv ( 5 )压敏电阻的导通电阻 R v随着电流从i o衰减到0不断变化（增大），因此t也 是电流的函数。在工程计算中，一般假定R v为常数，它所对应的电流为i o （从V/I特性曲线上找到i o对应的电压u r , R v = u r /io。从严格的意义上说，V/I特性曲线上的残压u R是在电流波形为8/20卩情况下测出的，对指数波形 而言uR

10、会小一些，但一般不会影响选型结果），以减少计算上的难度。通过以 上近似计算得到的 T基本上等效于压敏电阻脉冲电流降额曲线的脉 冲宽度，i 0相当于雷电波下的i pm。在给定冲击寿命（冲击次数 n ）的条件下，我们可以用与上节（1节）相同的方法从降额曲线上找到与 t和n对应的i max，然后校验i 0是否小于i max。2 ）压敏电阻对操作波的能量吸收能力电感中储存着较大的磁场能量，因此当它被开断时，磁场能量就会转化为电 场能量通过压敏电阻和电感线圈的直流电阻 Rc释放出来。电感中储存的磁能E L为：能量El需要压敏电阻和电感线圈的直流电阻 Rc共同承担，但我们一般不考 虑两者的分担比例，并假设

11、 El全部由压敏电阻 承担。压敏电阻的能量吸收能 力 E max为：式中，i max为压敏电阻脉冲电流降额曲线上对应着冲击寿命 n和T的最大通流量；u max为压敏电阻 V /I特性曲线上i max所对应的最大残压（压敏电压偏差 为+ 10 %）。如果E max El，则该规格的压敏电阻满足能量吸收的要求。3）压敏电阻在连续操作下平均功率在有些实际电路中存在着连续多次操作的情况，如果实际存在这种情况且连 续操作的时间间隔为T，压敏电阻的平均功率 P为：P = -或戸对邑(7 丁)Z + r T如果压敏电阻的额定功率 P 0 P，则该规格的压敏电阻满足功率耗散的要求如果P 0 P，最小的时间间隔

12、 T min可设计为：4选型计算实例4.1选型计算前的准备工作在选型前，必须向用户详细了解以下情况，并将有关技术信息填入用户技 术情况调查表，如表 2-4-1所示。1） 被保护设备的最大工作/考核电压；2） 被保护设备或部件的保护电压水平；3） 被保护设备的雷击测试的电压等级（即复合波发生器的开路电压）和冲 击次数、冲击间隔时间；4） 压敏电阻的用途和安装位置；5） 操作波发生源的电感量、初始放电电流、线圈直流电阻、设计放电次数 和最小时间间隔；6） 其他。4.2实例一某低压电器（内含EPROM等数个IC芯片）曾在雷雨天发生过IC芯片损 坏的问题。生产厂家考虑在产品的交流电源侧（ L - N之

13、间）加装压敏电阻。经了解，其主要技术信息如下（参见图 2-4-1 ）:1） 该低压电器的电源部分为单相，且只有两条进线 L、 N进入电源变压 器初级端。2） 电源变压器初级的额定电压为 220Vac，电压偏差为10 %，但生产厂 家出于安全考虑，规定产品出厂前要将电压升高到 380Vac考核2小时；3） 电源入口端的保护电压水平为 1800V ；4） 雷击测试的条件为：开路电压 5kV （ 1.2/50 必、源阻抗2Q，连续 冲击10次（正反向各5次）、每次间隔60s。1 ）压敏电压U N的选定及预选型号虽然该低压电器的 额定电压是220Vac，但是我们应该按用户的考核电压的 最大值作为压敏电

14、阻的最大连续工作电压， 即380Vac X1.1 = 418 Vac ，查阅 本公司产品样本可选压敏电压 Un为680V，预选压敏电阻型号为GNR14D681K。2）图解确定最大导通电压 u R和最大导通电流i pm4-1实例一中的雷击测试电路ipm=(5000-0.9 X 1500/1.1)/2 1890 (A)在GNR14D681K的脉冲电流降额曲线 上可以查出 脉冲宽度20卩s、冲击 次数为10的最大允许脉冲电流峰值i max1600A，因此不满足i pm imax的 通流条件，我们改选 GNR20D681K 。在 GNR20D681K的 V/I特性曲线 上绘出 V s = 5KV、X

15、s = 2Q的 load line，如图2-4-3所示（V/1特性曲线根据产品样本重新绘制）。图解得 到交点Q所对应的u r= 1480V。根据 式2-3-1 ，最大导通电流i pm为:5000-0.9 1480/1 1團2 GMRI4D681KT作曲线在GNR20D681K的脉冲电流降额曲线 上可以查出脉冲宽度20卩s、冲击 次数为10的最大允许脉冲电流峰值i max2300A，因此满足i pm P的要求，因此GNR20D681K压敏电阻满足该测试条件下的功率耗散要求。4）保护电压水平校验从图4-3得到的u R = 1480V是GNR20D681K规格压敏电阻的最大导通 电压，此结果满足保护

16、电压水平 1800V的要求。选型结论：该低压电器电源的 L - N之间应选用 GNR20D681K规格压敏电 阻。4.3实例二一个小电机控制回路等效电路如图 4-4所示，电路参数如下：Vdc = 24 VL = 0.1 H i o = 2 AR c = 12 Q开关设计动作寿命=106最短连续开关时间间隔 二10 s开关触点的保护电压水平 =100 V选型计算步骤1）压敏电压U N的选定及预选型号压敏电阻的最大连续工作电压为（24 + 2 ） Vdc = 26 Vdc，查阅本公 司产品样本，可选压敏电压 Un为33V，预选压敏电阻型号为 GNR10D330K 2）操作波的浪涌电流峰值和等效方波

17、持续时间从GNR10D330K的V /I特性曲线（产品样本 p15 ）上找到i 0 = 2A对 应的电压u r为62V，那么R v= u r /i0 = 62V/2A = 31 Q，根据式 2-3-5，可得：从GNR10D330K的脉冲电流降额曲线（产品样本 p21 ），可查出对应冲击 时间2.33mS、冲击次数106的i max1.8A，此结果不满足i 0 imax的通流 条件，因此我们改选 GNR14D330K 。从GNR14D330K的V /I特性曲线（产品样本 p15 ）上找到i o = 2A对 应的电压 u r为56V，那么 R v = u r /io = 56V/2A = 28 Q，根据式 2-3-5，可得：v-= 01 15 （门花）Rq + 12 + 28从GNR14D330K的脉冲电流降额曲线（产品样本 p22 ），可查出对应冲击 时间2.5mS、冲击次数106的i max3.5A，此结果满足i o 此结果满足E L P的要求，因此 GNR14D330K压敏电阻满足功率耗散要求。由于P 0 P，我们可向用户建议最小的连续动作时间间隔 T min的值：压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例5)保护电压水平校验56VGNR14D330K 压敏电阻最大导通电压为 56V ，开关元件两端的电压为 + 26V = 82V，此结果满足 开关触点的保护电压水平 100V的要求