压敏电阻的原理.docx
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压敏电阻的原理
压敏电阻的原理，作用，应用，性能，选型
1、什么是“压敏电阻”
“压敏电阻是中国大陆的名词，意思是"在一定电流电压范围内电阻值随电压而变"，或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。
相应的英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”。
压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。
现在大量使用的"氧化锌"（ZnO）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（Zn）和六价元素氧（O）所构成。
所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。
在中国台湾，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为"突波吸收器"。
压敏电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”。
2、压敏电阻电路的“安全阀”作用
压敏电阻有什么用？
压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。
利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。
3、应用类型
不同的使用场合，应用压敏电阻的目的，作用在压敏电阻上的电压/电流应力并不相同，
因而对压敏电阻的要求也不相同，注意区分这种差异，对于正确使用是十分重要的。
根据使用目的的不同，可将压敏电阻区分为两大类：
①保护用压敏电阻，②电路功能用压敏电阻。
3.1保护用压敏电阻
（1）区分电源保护用，还是信号线，数据线保护用压敏电阻器，它们要满足不同的技术标准的要求。
（2）根据施加在压敏电阻上的连续工作电压的不同，可将跨电源线用压敏电阻器可区分为交流用或直流用两种类型，压敏电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同。
（3）根据压敏电阻承受的异常过电压特性的不同，可将压敏电阻区分为浪涌抑制型，高功率型和高能型这三种类型。
★浪涌抑制型：
是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。
绝大多数压敏电阻器都属于这一类。
★高功率型：
是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器，例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周期出现，且周期可知，能量值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但因出现频率高，其平均功率相当大。
★高能型：
指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是能量吸收能力。
压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反复作用的，但有时也将它做成电流保险丝那样的"一次性"保护器件。
例如并接在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。
3.2电路功能用压敏电阻
压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作：
（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以上，这是硅稳压管无法达到的。
（2）电压波动检测元件。
（3）直流电瓶移位元件。
（4）均压元件。
（5）荧光启动元件
4、保护用压敏电阻的基本性能
（1）保护特性，当冲击源的冲击强（或冲击电流Isp=Usp/Zs）不超过规定值时，压敏电阻的限制电压不允许超过被保护对象所能承受的冲击耐电压（Urp）。
（2）耐冲击特性，即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流，冲击能量，以及多次冲击相继出现时的平均功率。
（3）寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。
二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数。
（4）压敏电阻介入系统后，除了起到"安全阀"的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓"二次效应"，它不应降低系统的正常工作性能。
这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万PF），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。
压敏电阻的型号及选用方法
SJ1152-82部颁标准中压敏电阻器的型号命名分为四部分，各部分的含义见表1。
表1压敏电阻器的型号命名及含义
一部分：
主称
第二部分：
类别
第三部分：
用途或特征
第四部分：
序号
字母
含义
字母
含义
字母
含义
M
敏感
电阻器
Y
压敏
电阻器
无
普通型
用数字表示序号，有的在序号的后面还标有标称电压通流容量或电阻体直径、标称电压、电压误差等。
D
通用
B
补偿用
C
消磁用
E
消噪用
G
过压保护用
H
灭弧用
K
高可靠用
L
防雷用
M
防静电用
N
高能型
P
高频用
S
元器件保护用
T
特殊型
W
稳压用
Y
环型
Z
组合型
第一部分用字母“M”表示主称为敏感电阻器。
第二部分用字母“Y”表示敏感电阻器为压敏电阻器。
第三部分用字母表示压敏电阻器的用途的特征。
第四部分用数字表示序号，有的在序号的后面还标有标称电压、通流容量或电阻体直径、电压误差、标称电压等。
例如：
MYL1-1（防雷用压敏电阻器）
MY31-270/3（270V/3kA普通压敏电阻器）
M——敏感电阻器
M——敏感电阻器
Y——压敏电阻器
Y——压敏电阻器
L——防雷用
31——序号
1-1——序号
270——标称电压为270V
3——通流容量为3kA
压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻元件；电阻对电压较敏感，当电压达到一定数值时，电阻迅速导通。
由于压敏电阻具有良好的非线特性、通流量大、残压水平低、动作快和无续流等特点。
被广泛应用于电子设备防雷。
主要参数：
1、残压：
压敏电阻在通过规定波形的大电流时其两端出现的最高峰值电压。
2、通流容量：
按规定时间间隔与次数在压敏电阻上施加规定波形电流后，压敏电阻参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值。
3、泄漏电流：
在参考电压的作用下，压敏电阻中流过的电流。
4、额定工作电压：
允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压的有效值。
而压敏电阻在吸收暂态过电压能量后自身温度升高，在此电压下能正常冷却，不会发热损坏。
压敏电阻的不足：
（1）寄生电容大压敏电阻具有较大的寄生电容，一般在几百至几千微微法的范围。
在高频信号系统中会引起高频信号传输畸变，从而引起系统正常运行。
（2）泄漏电流的存在压敏电阻的泄漏电流指标既关系到被保护电子系统的正常运行，又关系到压敏电阻自身的老化和使用寿命。
压敏电阻的损坏形式：
（1）当压敏电阻在抑制暂态过电压时能量超过其额定容量时，压敏电阻会因过热而损坏，主要表现为短路、开路。
MYL表示防雷型压敏电阻
MYE表示高负荷型压敏电阻,也有厂家用MYT表示通用型，MYL表示防雷型.
选用方法（一般情况）:
1、压敏电压值应大于实际电路的电压峰值，一般为：
U1mA=K1×/K2×K3×UC
U1mA----压敏电压
UC----电路直流工作电压（交流时为有效值）
K1----电源电压波动系数，一般取1.2
K2----压敏电压误差,一般取0.85
K3----老化系数,一般取0.9
交流状态下，应将有效值变为峰值，即扩大√2倍，实际应用中可参考此公式通过实验来确定压敏电压值。
2、通流量
实际应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流应小于压敏电阻的最大峰值电流，以延长产品的使用寿命。
压敏电阻的检测。
用指针式万用表的R×1k挡测量压敏电阻两引脚之间的正、反向绝缘电阻，均为无穷大，否则，说明漏电流大。
若所测电阻很小，说明压敏电阻已损坏，不能使用。
锌压敏电阻器自1968年问世以来,以其优越的非线性导电特性在电力、电子技术领域被普遍用作线路、设备及元器件的过电压保护和浪涌吸收元件，创造了划时代意义的科技成就。
它之所以有如此广泛的应用,应归功于其独特的晶界结构和性能。
随着信息技术的迅速发展,低压供电系统及设备耐受过电压冲击的能力越来越被人们关注，作为过电压防护的主要元件——氧化锌压敏电阻器也得到越来越广泛的应用。
众所周知,氧化锌压敏电阻器是吸收或释放线路中存在的雷电感应过电压和操作过电压的限压型保护元件,同时作为线路系统和设备的元件,还必须承受低压供电线路和设备均要承受的暂时过电压，因此氧化锌压敏电阻器在线路中应用时必须承受雷电过电压、操作过电压和暂时工频过电压的冲击,在此条件下它的性能和使用将是人们倍加注意的问题。
本文系统论述防雷用氧化锌压敏电阻器、过电压保护器的性能、特点和应用。
2氧化锌压敏电阻器的性能
氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元,,件。
由于其独特的晶界结构，在一定电场下，晶界导电由热电子发射传导瞬间转变为电子隧道传导，其电阻值随着电压的增大而急剧减小，具有优异的非线性伏安特性。
那么，当存在过电压时，晶界电子隧道效应抑制过电压峰值增长，吸收部分过电压能量，从而起到对线路或设备的防护作用。
但是，不论压敏电阻器应用在电力线路或电子线路,若各种类型的过电压频繁出现,则压敏电阻器就会频繁动作以抑制过电压幅值和吸收释放浪涌能量，保护电气设备及元器件,这势必会导致压敏电阻器的性能劣化乃至失效。
压敏电阻器的失效方式有3种:
（1）劣化，表现为漏电流增大,压敏电压显著下降,直至为零;
（2）炸裂，若过电压引起的浪涌能量太大,超过了所选用的压敏电阻器极限承受能力,则压敏电阻器在抑制过电压时将会发生陶瓷炸裂现象;
（3）穿孔，若过电压峰值特别高,导致压敏电阻器陶瓷瞬间发生电击穿,表现为穿孔。
其中，在进行分级防雷保护前提下，压敏电阻器的失效模式绝大部分表现为劣化和穿孔（即短路），因此，在使用压敏电阻器时，必须与之串联一个合适的断路器或保险丝，避免电路短路引起事故。
目前，国际上流行的过电压保护器就是将压敏电阻器与限流、过流和劣化告警装置有机地组合在一起，它除了具有过电压保护功能外，还具有防止自身劣化、导致电路短路的功能。
3氧化锌压敏电阻器与过电压保护器的应用
雷电是一种强电磁波，它会在载流导体中产生瞬间感应过电压。
除防护直击雷电之外，更重要的是防护雷电感应过电压。
实际上，雷电对电气设备的破坏主要来自感应过电压。
因此，对感应过电压的防护已成为人们着重研究的课题。
如已发布了建筑物和电气设备内部防雷即感应过电压防护的国家标准和IEC标准。
通常，雷电波是通过电源线、信号传输线和空间交变电磁场感应到线路和电气设备中，对线路和电气设备的保护应从电源系统的防雷、信号系统的防雷和空间屏蔽3方面进行。
3.1电源系统的过电压防护
依据线路绝缘结构理论及IEC61312、IEC664-1、IEC61643、GB50097-1994（2000年版）等标准，对建筑物和电气设备（如第三类防雷建筑物）进行感应过电压防护的绝缘结构，如图1所示。
其对应保护级别如表1所示。
表1过电压保护的级别类别划分IV电源水平级初级保护Ⅲ配电控制水平级Ⅱ线路负载级：
控制电器Ⅰ小功率设备220V/380V线路设备承受的脉冲电压（1.2μs/50μs）/kV642515雷区划分OB～11～22～33～4额定脉冲电流（8μs/20μs）估计/kA751053过电压保护器选择及其额定脉冲电流（8μs/20μs）估计/kAMYS9,
FD3MYL10100MYS8,MYS4MYS5,
MYS6MYL1B,
MYL8,FD240MYS4,MYS5,MYS6,
MYL1MYL2,MYL3
MYL1B,FD120MYL1,MYL2MYL1B,
MYD5～10额定脉冲电流（8μs/20μs）下峰值电压/kV≤4≤2.5≤1.5≤0.9图1感应过电压防护 从图1可以看出，在220V/380V线路中的每一区域，都应该在其前面并联氧化锌压敏电阻器或过电压保护器，雷电感应过电压能量将通过逐级的防雷器件吸收和释放到大地中，达到保护线路和设备免受雷电破坏的目的；虽然应用于Ⅳ、Ⅲ区域的过电压保护器具有自身劣化断开电源的功能，但考虑到不同的接地状况，还应与过电压保护器串联合适的熔断器或空气开关。
因此，必须研制开发各类过电压保护器和氧化锌压敏电阻器，西安无线电二厂已具有该类产品的开发和制造能力。
防雷保护元件的设置，必须遵循线路绝缘配合原则。
根据IEC664-1标准，各防雷保护元件在其保护区域的额定脉冲电流条件下的峰值电压应远小于被保护设备的脉冲绝缘试验电压，西安无线电二厂开发生产的过电压保护器和压敏电阻器在其额定脉冲电流条件下的峰值电压如表1所示，经过与国外同型号产品的对比试验，其产品在额定脉冲电流条件下的峰值电压具有优势，其它性能指标处于同等水平。
3.2信号线的过电压防护
随着信息技术的高速发展，通信网络、数据网络和计算机网络系统中的重要设备更易被雷电感应过电压破坏，因此数据信号线路的过电压防护迫在眉睫，随之产生了由线路结构决定的计算机串口、数据线和同轴电缆专用的过电压保护器。
这些防护元件一般由三极放电管与快速嵌位二极管相结合的两级保护组成，额定脉冲电流大于5kA（8μs/20μs），响应时间小于1ns，具有很低的工作电压、很高的使用频率和传速频率、很低的插入损耗。
西安无线电二厂的该类产品已经批量生产，其性能完全可以满足被保护线路的技术指标。
3.3设备的电磁屏蔽
空间电磁场会对其附近一定空间内的电源设备和信号数据线路及其元器件产生破坏，目前只能通过对设备和线路按各自的防雷区施行多级屏蔽及屏蔽层良好接地的方法来避免此类问题的发生。
但是，感应过电压防护效果与设计方案、施工质量及成本费用有极大关系，很难达到理想的屏蔽效果。
因此对雷电感应过电压的防护主要集中在电源线和信号线系统，特别是在信号数据线路中使用的过电压保护器应该具有电磁屏蔽功能。
4新产品介绍
下面简单介绍一下西安无线电二厂的几种新产品。
4.1工频电源和直流电源的过电压保护元件
4.1.1MYS报警指示型过电压保护器（MYS1～MYS9）
气象、通讯、邮电、金融、公安、民航等系统的220V/380V交流电源或直流电源可采用MYS4、MYS5、MYS6、MYS8、MYS9型过电压保护器及防雷箱，其性能和结构参数见表2和表3。
这些产品的特点如下：
表2过电压保护器的性能型号额定通流容量（8μs/20μs）/kA电流熔断器熔断电流（额定）/A报警方式安装方式MYS42050组件报警，声光、远程监控35mm标准轨道MYS52063单件报警远程监控35mm标准轨道MYS62063单件报警远程监控平板安装MYS840100单件报警远程监控35mm标准轨道MYS9100250单件报警，声光、远程监控平板安装表3压比特性对比样品来源V1kA/V1mAV3kA/V1mAV5kA/V1mAV10kA/V1mAV15kA/V1mAV20kA/V1mA西无二1.671.852.012.482.803.16DHEN1.721.982.152.663.003.45注：
德国OBO公司、德利和DEHN公司、法国索尔公司的产品均采用西门子公司的瓷片。
（1）产品的通流能力达20kA～100kA，残压很低；
（2）响应速度快（≤25ns）；
（3）外壳材料采用美国杜邦公司的阻燃性能良好的尼龙材料,阻燃等级为UL94V-0级；
（4）采用最先进的模块化设计，无需切断电源和松开接线端子便可进行产品更换，采用国际通用标准轨道，安装简捷；
（5）该类产品可与断路器、熔断器、声光报警器或远程集中报警器组合成FLX型电源过电压保护箱，具有劣化指示、声光报警功能和远程监控报警端子；
（6）采用系列化设计，可实现线路纵横向不同保护方式的需要。
4.1.2FD3型过电压保护器
这种产品的特点如下：
（1）可用于220V/380V低压线路的初级过电压防护（相线、零线对地线），即OB～1防雷区；
（2）通流容量达60kA（10μs/350μs），保护水平为4kV，响应时间为100ns；
（3）标准轨道安装，方便快捷。
4.1.3FD1、FD2型过电压保护器
这些产品的特点如下：
（1）用于220V/380V低压线路TN（TNS,TNC）、TT系统中的N－PE等电位防护；
（2）与MYS4、MYS5、MYS6、MYS8配合进行工频电源的过电压保护；
（3）FD1、FD2的通流容量分别为20kA、40kA（8μs/20μs）；
（4）可以隔离不同接地，避免其相互影响；
（5）标准轨道安装，方便快捷。
4.1.4MYL1—MYL10型压敏电阻器
该产品的特点是:
（1）通流能量为3kA～100kA;
（2）残压远低于产品标准要求,如对32瓷片
V1mA≤120V时,V2.5kA/V1mA=3.55（标准为4.46）
V1mA≥150V时,V5kA/V1mA=2.0（标准为3.08）;
（3）已取得UL认证,并批量远销美国GE公司,如MYL1B/40,MYL1B/65。
4.1.5通用型MYD压敏电阻器5～20
该产品的特点是:
（1）通流能力（8μs/20μs）为50A～6500A；
（2）每种型号的性能水平达到日本松下公司1996/1997样品的水平,尤其是最大峰值电流（8μs/20μs）是国家标准SJ/T10348～10349-1993指标的两倍。
4.2信号线的过电压保护元件
4.2.1BYC1-09、BYC1-25/S-P（P-S）型串口保护器
用于数据处理系统和设备的精细级过电压保护器，广泛应用于邮电、通讯、证券、气象、学校、企业等领域的计算机及其网络系统的RS-232CD微型9针，25针串行接口的保护。
4.2.2程控交换机配线架防雷模块BYF201、BYF204
该产品采用限压型和开关型防雷元件组合的三端防雷模块,其通流容量为5kA，保护水平为400V，响应时间为25ns。
4.2.3电话线路的过电压保护器BYF202
该产品用于音频电话线路的过电压防护，通流容量为5kA，保护水平为350V。
4.2.4信号避雷器BYF205、BYF203、KXB-01、KXB-02
BYF205用于信号线的防护。
BYF203用于有线电视传输线的防护。
KXB-01、KXB-02用于同轴馈线的过电压防护。
产品接口均符合国际和我国国家标准或特殊要求，使用频率为0～2.5GHz,特性阻抗分别为50Ω和75Ω。
4.3正在开发和完善的产品
西安无线电二厂的产品品种已覆盖直流和工频电源系统的Ⅳ，Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ区域和部分信号区域。
目前正在开发的项目有对模拟信号、数字信号电路的过电压保护器进行模块化结构设计研究；对同轴馈线、计算机串口、电话线、数据线和程控交换机配线架防雷模块等用过电压保护器进行品种和性能的进一步完善。
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