一、压敏电阻的主要特性
压敏电阻器简称压敏电阻,它是在某一特定的电压范围内其电导随电压的增加而急剧增大的一种敏感元件。由于它具有稳压和过电压保护等功能,人们也将其称为“限幅器”“斩波器”或“浪涌吸收器”,还称其为家用电器和各种电器设备及电子器件的“安全卫士”。

图 1 压敏电阻及其伏安特性
压敏电阻的种类很多,其中最有代表性的当首推氧化锌压敏电阻。这种电子陶瓷半导体元件的基片由大量的氧化锌晶粒及晶粒周围呈 P 型半导体性质的、以氧化铋为主要成分的晶界层组成;每个晶粒与晶界层形成一个相当于齐纳二极管的 PN 结势垒,构成一个单元。很明显,基片内串联的单元越多,击穿电压也就越高;并联的单元越多、横截面积越大,其通流容量也就越大。
氧化锌压敏电阻的伏安特性呈对称型,可用于吸收交流或直流正、负极性的浪涌电压:在一定的电压范围内其阻抗接近于开路状态,只有微安级的漏电流通过,故功耗甚微;该元件的适用电压范围特别广,可从几伏到几十万伏,而且对过电压的响应时间非常快,一般不大于 50 ns。当电压达到一定值时,压敏电阻中的电流陡然增大,它承受电流的能力非常惊人,可达几十千安,而且不会导致电流的上升速率增大、不会产生续流和放电延迟现象。虽然压敏电阻的瞬时功率非常大,但平均持续功率却很小,故不能长时间工作于导通状态。
表示压敏电阻特性的参数有数个,其中最重要的是压敏电压和通流容量。所谓压敏电压,是指压敏电阻在一定温度范围内规定电流下的电压降,通常规定电流为 1 mA 直流,该基准电流下的压敏电压记作 V1mA。必须指出,压敏电阻的残压与压敏电压并非同一概念,它是压敏电阻通过某一给定脉冲电流时在其两端产生的电压降。压敏电阻的耐浪涌能力用通流容量表示:所谓通流容量,是指按规定的时间间隔和次数,在压敏电阻上施加规定的波形电流冲击时,压敏电压参数变化不超过规定值的最大峰值电流;目前测试该参数大多采用 8/20 μs 的冲击波形,要求 V1mA 的变化率不超过 ±10%。
压敏电阻的外形封装主要有片状引线型、环型、芯轴型和圆柱型油浸罐式几种,其中大通流容量的压敏电阻采用后两种封装形式。
二、压敏电阻的正确选用
压敏电阻的图形符号中,国标规定符号和国内常用符号分别为(a)、(b),日本及其他国家所采用的符号为(c)、(d);压敏电阻用字母 R 或 RV 表示。
正确选用压敏电阻,首先必须了解其型号的组成与含义。压敏电阻的型号通常由以下五部分组成:M Y □-□□□。其中:第Ⅰ部分“MY”表示压敏电阻;第Ⅱ部分用汉语拼音字母表示产品的分类与用途,如 J、W、G、L、H、Z、B、D 等分别代表家用、稳压、过压保护、防雷、灭弧、消噪、补偿、通用;第Ⅲ部分表示以 mm 作为计量单位的基片直径;第Ⅳ部分用字母表示电压允许误差,如 K 表示 ±10%、M 表示 ±20%;第Ⅴ部分表示标称压敏电压,可以带计量单位。当不带计量单位(V)、采用三位数字表示压敏电压时,若 V1mA 是两位数,后面要加“0”(如 82 V 表示为 820);若 V1mA 是三位数且末位数是 0(如 820 V),应用 821 表示;而 8200 V 则用 822 表示。例如型号 MYG10K471 表示过压保护用压敏电阻、瓷片直径 10 mm、允许偏差 ±10%、标称电压 470 V。由于目前国内在该产品的型号组成上尚未完全统一,故选用时应以产品样本为准。又如某压敏电阻型号为 MYL30-470V/5kA-K,则表示防雷用压敏电阻、基体直径 30 mm、压敏电压 470 V、通流容量 5 kA、电压允差 ±10%。
压敏电阻的正确选择和使用,要注意以下几点:
1. 压敏电压参数的选择。该参数的选取要根据实际电路和电源情况而定:若压敏电阻用于过压保护,其标称电压必须高于实际电路的电压值——在直流电压 Vdc 下一般取 V1mA =(1.5~2.2)Vdc;用于交流电压 Vac(有效值)时,取 V1mA =(1.8~2.5)Vac;若压敏电阻上的电压是脉冲电压,则 V1mA =(1.4~2)倍脉冲电压幅值。如果压敏电阻在电路中处于间断工作状态,以上各式的系数宜取得小一些;若长时间工作于不间断状态,系数应取大一些。V1mA 的上限由被保护器件或装置的耐压所决定,压敏电阻在吸收过电压时的残压应被抑制在器件或装置的耐压以下。虽然压敏电压选择低一些有利于提高保护效果,但如果选择过低,电压稍一升高压敏电阻就会导通、流过过大电流,易引起元件温升加剧甚至被烧毁。
2. 通流容量的选取。为延长压敏电阻的使用寿命并为电子线路提供可靠保护,该参数的选择应留有充分余量:根据经验,一般用于操作过电压保护时,压敏电阻的通流容量选择 1~5 kA;用于防雷浪涌保护时,可选用 2~20 kA 的元件。
3. 串并联使用。当压敏电阻串联使用时,应确保每只压敏电阻的通流容量相同、特性相近,串联后的最大允许电路电压等于各只压敏电阻最大允许电路电压之和;在浪涌电流特别大的情况下也可将若干只压敏电阻并联使用,但要保证每只元件的压敏电压相同、伏安特性一致,并联后的压敏电压不变,总通流容量为各个压敏电阻的通流容量之和。由于串并联只数增加往往使可靠性降低,故应控制串并联压敏电阻的数量。
4. 高频场合的注意。由于压敏电阻的固有静态电容从几百到几千皮法,在频率较高时应选用容值小的压敏电阻,并要在压敏电阻上串接高频阻流圈,以减小高频信号衰减。此外,使用压敏电阻还要使引线与接线尽可能短;用作雷浪涌吸收时务必注意可靠接地。
三、压敏电阻的应用实例
(一)电源电路的过压保护。交流电源一旦因某种因素导致电压升高,或因错相引入 380 V 的电压而超过压敏电阻 RV1 的压敏电压,RV1 即刻导通流过大电流,使 F 熔断,从而防止电源过电压侵入机内把电子元器件毁坏;F 延时熔断后氖泡点亮,发出 F 熔断的警告。在消磁电路中,与 PTC 热敏电阻和消磁线圈串接的压敏电阻 RV2 既对消磁电路起保护作用,又可降低 PTC 元件的耐压要求。例如东芝 GR 系列电冰箱控制电路电源输入侧采用了 TNR801 15G 471K 型压敏电阻,F55 录像机则采用了 ENB461D 型压敏电阻。
在漏电保护器电路中,交流电源一旦出现过电压,RV 立刻导通,零序互感器次级随即产生感生电流,并通过电阻转换成电压输入到 IC 放大器;放大后的信号使 SCR 导通、脱扣器动作,在 0.1 s 内切断交流电源。压敏电阻不仅可用于电源变压器或整流器的输入端,也可用到其输出侧。
(二)电子器件的保护。在晶体管过压保护电路中,RV 的压敏电压必须高于电源电压,但又必须低于晶体管的击穿电压 BVceo。例如电视机的场输出级电路中,在帧回扫期间晶体管的集电极电压等于电源电压与扼流圈产生的反峰电压之和,RV 的作用是将该反峰电压抑制在 RV 的残压之下,使晶体管免遭击穿。用 RV 作为集成电路(IC)浪涌吸收器时,RV 将过电压限幅,再经 RC 积分电路进一步消除噪声影响,使 IC 得到保护。除此之外,压敏电阻还可用于功率二极管、晶闸管和固态继电器等电子器件或组件的保护;特别是用压敏电阻消除显像管的极间跳火,要比放电管或金属间隙片可靠得多。
(三)操作过电压保护。在含有继电器、接触器、电磁离合器等感性负载的电路中,当切断电路瞬间,电流在负荷与电源两侧产生的过电压可以超过电源电压的数十倍,在触点间产生电弧和火花放电,不仅易损坏触头、导致器件击穿,而且会使其他系统产生误动作。将压敏电阻与继电器电感线圈或触点并联,感性负载储存的能量即可通过 RV 泄放吸收。
(四)雷浪涌保护。直击雷、感应雷或沿电源线进入系统的浸入波这种大气过电压所产生的电流上升时间非常快,持续时间仅几十微秒,峰值电流达几十安到几百安,对电力等系统的用电设备破坏作用很大。压敏电阻用作避雷器时,雷浪涌电压和电流可经线—地间的 RV 入地,而且它们的对地电压之差又受到线—线间 RV 的进一步抑制;在公用天线电视(CATV)系统中,放大器、混合器也可采用类似的过电压保护电路。压敏电阻的应用实例众多,而且正继续向一切可能应用的领域渗透。