壓敏電阻

壓敏電阻是一種無源兩端固態半導體器件，用于為電氣和電子電路提供保護。

1、概述

與提供過電流保護的保險絲或斷路器不同，壓敏電阻通過電壓鉗位提供過電壓保護，其方式與齊納二極管類似。

“壓敏電阻”一詞是 VARI-able resi-STOR 一詞的組合，用于描述其開發早期的操作模式，這有點誤導，因為壓敏電阻不能像電位計或變阻器那樣手動改變 。

但與可手動在最小值和最大值之間改變電阻值的可變電阻器不同，壓敏電阻器會隨著其兩端電壓的變化而自動改變其電阻值，使其成為電壓相關的非線性電阻器或簡稱為 VDR。

如今，壓敏電阻的電阻體由半導體材料制成，使其成為一種具有非歐姆對稱電壓和電流特性的半導體電阻器，適用于交流和直流電壓應用。

在許多方面，壓敏電阻在尺寸和設計上看起來與電容器相似，并且經常被誤認為是電容器。 然而，電容器無法像壓敏電阻那樣抑制電壓浪涌。 當高壓浪涌施加到電路時，結果通常會對電路造成災難性的影響，因此壓敏電阻在保護精密電子電路免受開關尖峰和過壓瞬變影響方面發揮著重要作用。

2、交流波形瞬變

瞬態浪涌源自各種電路和電源，無論它們是由交流還是直流電源供電，因為它們通常在電路本身內產生或從外部源傳輸到電路中。 電路內的瞬變會迅速上升，使電壓增加到數千伏，必須防止這些電壓尖峰出現在精密的電子電路和組件上。

最常見的電壓瞬變源之一是由感應線圈和變壓器磁化電流的開關、直流電機開關應用以及熒光燈電路接通時的浪涌或其他電源浪涌引起的 L(di/dt) 效應。

交流波形瞬變

壓敏電阻連接在電源跨接的電路中，可以是相到中性線、相到相（用于交流操作）或正極到負極（用于直流操作），并且具有適合其應用的額定電壓。 壓敏電阻還可用于穩定直流電壓，特別是用于防止過壓脈沖的電子電路保護。

3、抗靜電能力

在正常操作下，壓敏電阻具有非常高的電阻，這也是其名稱的一部分，其工作方式與齊納二極管類似，允許較低的閾值電壓不受影響地通過。

然而，當壓敏電阻兩端的電壓（無論極性）超過壓敏電阻的額定值時，其有效電阻會隨著電壓的增加而急劇下降，如圖所示。

從歐姆定律我們知道，如果 R 保持恒定，固定電阻器的電流-電壓 (I-V) 特性是一條直線。 那么電流與電阻器兩端的電位差成正比。

交流波形瞬變

4、特性曲線

但壓敏電阻的 I-V 曲線不是直線，因為電壓的微小變化會導致電流的顯著變化。 下面給出了標準壓敏電阻的典型歸一化電壓與電流特性曲線。

從上面我們可以看出，壓敏電阻具有對稱的雙向特性，即壓敏電阻在正弦波形的兩個方向（I 和 III 象限）上工作，其行為類似于背靠背連接的兩個齊納二極管。 當不導通時，I-V 曲線顯示出線性關系，因為流過壓敏電阻的電流保持恒定且較低，“泄漏”電流僅為幾微安。 這是由于其高電阻充當開路并保持恒定，直到壓敏電阻（任一極性）兩端的電壓達到特定的“額定電壓”。

該額定電壓或鉗位電壓是在指定的 1mA 直流電流下測得的壓敏電阻兩端的電壓。 也就是說，施加在其端子上的直流電壓水平允許 1mA 的電流流過壓敏電阻電阻體，該電阻體本身取決于其構造中使用的材料。 在此電壓水平下，壓敏電阻開始從絕緣狀態變為導通狀態。

當壓敏電阻兩端的瞬態電壓等于或大于額定值時，由于其半導體材料的雪崩效應，器件的電阻突然變得很小，使壓敏電阻變成導體。 流過壓敏電阻的小漏電流迅速上升，但壓敏電阻兩端的電壓被限制在略高于壓敏電阻電壓的水平。

換句話說，壓敏電阻通過允許更多電流流過它來自我調節其上的瞬態電壓，并且由于其陡峭的非線性 I-V 曲線，它可以在狹窄的電壓范圍內傳遞廣泛變化的電流，從而消除任何電壓尖峰。

5、壓敏電阻電容值

由于壓敏電阻在其兩個端子之間的主導電區域的行為類似于電介質，因此在其鉗位電壓以下，壓敏電阻的行為類似于電容器而不是電阻器。 每個半導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。

當用于直流電路時，只要所施加的電壓不增加到鉗位電壓水平以上，壓敏電阻的電容或多或少地保持恒定，并且在接近其最大額定連續直流電壓時突然下降。

然而，在交流電路中，該電容會影響器件 I-V 特性的非導通泄漏區域中的體電阻。 由于壓敏電阻通常與電氣設備并聯以防止過壓，因此壓敏電阻的漏電阻會隨著頻率的增加而迅速下降。

這種關系與頻率和由此產生的并聯電阻、其交流電抗 XC 近似呈線性關系，可以使用普通電容器的常用 1/(2πfC) 來計算。 然后，隨著頻率的增加，其漏電流也會增加。

但與基于硅半導體的壓敏電阻一樣，金屬氧化物壓敏電阻的開發也克服了與碳化硅同類產品相關的一些限制。

6、金屬氧化物壓敏電阻

金屬氧化物壓敏電阻（簡稱 MOV）是一種壓敏電阻器，其中電阻材料是金屬氧化物，主要是壓入陶瓷類材料中的氧化鋅 (ZnO)。 金屬氧化物壓敏電阻由約 90% 的氧化鋅（作為陶瓷基材）以及用于在氧化鋅顆粒之間形成連接的其他填充材料組成。

金屬氧化物壓敏電阻現在是最常見的電壓鉗位器件類型，可在較寬的電壓和電流范圍內使用。 在其結構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，金屬氧化物壓敏電阻在特定電壓下開始導通，并在電壓低于閾值電壓時停止導通。 標準碳化硅 (SiC) 壓敏電阻和 MOV 型壓敏電阻之間的主要區別在于，在正常工作條件下，通過 MOV 氧化鋅材料的漏電流非常小，并且其在鉗位瞬態時的工作速度要快得多。

MOV 通常具有徑向引線和堅硬的藍色或黑色環氧樹脂外涂層，與圓盤陶瓷電容器非常相似，并且可以以類似的方式物理安裝在電路板和 PCB 上。 典型金屬氧化物壓敏電阻的結構如下：

金屬氧化物壓敏電阻結構

要為特定應用選擇正確的 MOV，需要了解源阻抗和瞬態可能的脈沖功率。 對于進線或相瞬變，選擇正確的 MOV 有點困難，因為電源的特性通常是未知的。 一般來說，用于保護電路免受電源瞬變和尖峰影響的 MOV 選擇通常只是一種有根據的猜測。

然而，金屬氧化物壓敏電阻的壓敏電壓范圍很廣，從大約 10 伏到超過 1,000 伏交流或直流，因此了解電源電壓有助于選擇。 例如，就電壓而言，選擇 MOV 或任何硅壓敏電阻，其最大連續有效值電壓額定值應略高于最高預期電源電壓，例如，120 伏電源為 130 伏有效值，230 伏電源為 260 伏有效值。 電壓供應。

壓敏電阻承受的最大浪涌電流值取決于瞬態脈沖寬度和脈沖重復次數。 可以根據瞬態脈沖的寬度進行假設，瞬態脈沖的寬度通常為 20 至 50 微秒 (μs)。 如果峰值脈沖電流額定值不足，壓敏電阻可能會過熱并損壞。 因此，為了使壓敏電阻在沒有任何故障或退化的情況下運行，它必須能夠快速耗散瞬態脈沖吸收的能量并安全地返回到其脈沖前狀態。

7、壓敏電阻應用

壓敏電阻具有許多優點，可用于許多不同類型的應用，用于抑制從家用電器和照明到交流或直流電源線上的工業設備的電源瞬變。 壓敏電阻可以直接連接在主電源和半導體開關上，以保護晶體管、MOSFET 和晶閘管橋。

壓敏電阻應用

8、總結

在本文中，我們已經了解了電壓相關電阻器 (VDR) 的基本功能是保護電子設備和電路免受電壓浪涌和尖峰的影響，例如由感應開關瞬變產生的電壓浪涌和尖峰。

由于此類壓敏電阻用于敏感電子電路中，以確保如果電壓突然超過預定值，壓敏電阻將有效地形成短路，以保護其分流的電路免受過高電壓的影響，因為它們能夠承受數百的峰值電流 安培。

壓敏電阻是一種具有非線性、非歐姆電流電壓特性的電阻器，是提供瞬變過壓和浪涌保護的可靠且經濟的手段。

它們通過在較低電壓下充當高電阻阻斷器件以及在較高電壓下充當良好的低電阻導電器件來實現這一點。 壓敏電阻保護電氣或電子電路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（MOV）通常由小型盤狀金屬氧化鋅材料制成。 它們針對特定電壓范圍有多種值。 MOV 的額定電壓稱為“壓敏電阻電壓”，是當 1mA 的電流通過該器件時壓敏電阻兩端的電壓。 該壓敏電阻電壓電平本質上是器件開始導通時 I-V 特性曲線上的點。 金屬氧化物壓敏電阻也可以串聯以提高鉗位電壓額定值。

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中以防止瞬態過電壓，但還有其他類型的固態電壓抑制器件，例如二極管、齊納二極管和抑制器，它們都可以在某些交流或直流電壓中使用 抑制應用以及壓敏電阻。