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                  第四講：氣體放電管如何保護電路不受雷電浪涌的損壞

1、壓敏電阻的定義及參數(shù)

壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。

壓敏電阻用字母“MY”表示，如加J為家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分別用于穩(wěn)壓、過壓保護、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數(shù)。

a、所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值，大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值，其產品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等。可根據具體需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關重要的，它關系到保護效果與使用壽命。如一臺用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5××220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間。

b、所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25℃情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過± 10％時的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應小于手冊中給出的產品最大通流量。然而從保護效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實際發(fā)生的通流量是很難精確計算的，則選用2－20KA的產品。如手頭產品的通流量不能滿足使用要求時，可將幾只單個的壓敏電阻并聯(lián)使用，并聯(lián)后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。

2、壓敏電阻與其它保護技術的比較

壓敏電阻的響應時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千Pf的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。 詳細內容，可參見TVS管、穩(wěn)壓二極管和壓敏電阻的區(qū)別
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3、壓敏電阻技術介紹
 
壓敏電阻本體結構由以晶粒邊界分隔的導電ZNO晶粒矩陣組成，該晶粒邊界具有P-N結半導體特性。 這些邊界負責阻擋低電壓的傳導，同時在較高電壓下產生非線性導電性。


壓敏電阻具有對稱、突然的擊穿特性曲線（見圖1），使其可提供出色的瞬態(tài)抑制性能。 當受到高瞬態(tài)電壓沖擊時，壓敏電阻阻抗將變化多個數(shù)量級，從近于開路變?yōu)楦邔щ娂墑e，進而將電壓鉗制在一個安全水平。 壓敏電阻吸收瞬態(tài)脈沖的潛在破壞能量，保護脆弱的電路元件。

當設備主體中遍布的ZNO 晶粒間出現(xiàn)導電現(xiàn)象時，壓敏電阻比相應的單P-N結產品（如齊納二極管）具有更強大的性能。 壓敏電阻中，能量在整個設備主體中被均衡吸收，因而其產生的熱量可得到平均的分布。 壓敏電阻能以多種進行燒結制造形狀，如盤式、芯片式和管式等，電氣性質則主要由壓敏電阻機體的外形尺寸所決定。 能量額定值由體積所決定，額定電壓由厚度或電流路徑的長度所決定，電流能力由沿垂直于電流流動方向測定的面積所決定。

4、壓敏電阻的應用原理

壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件，可以用來代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對IC及其它設備的電路進行保護，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流（如雷擊等）而造成對它們的損壞。使用時只需將壓敏電阻器并接于被保護的IC或設備電路上，當電壓瞬間高于某一數(shù)值時，壓敏電阻器阻值迅速下降，導通大電流，從而保護IC或電器設備；當電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時，壓敏電阻器阻值極高，近乎開路，因而不會影響器件或電器設備的正常工作。

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5、壓敏電阻的選用

選用壓敏電阻器前，應先了解以下相關技術參數(shù)：

標稱電壓是指在規(guī)定的溫度和直流電流下，壓敏電阻器兩端的電壓值。
漏電流是指在25℃條件下，當施加最大連續(xù)直流電壓時，壓敏電阻器中流過的電流值。

等級電壓是指壓敏電阻中通過8／20等級電流脈沖時在其兩端呈現(xiàn)的電壓峰值。

通流量是表示施加規(guī)定的脈沖電流（8／20μs）波形時的峰值電流。

浪涌環(huán)境參數(shù)包括最大浪涌電流Ipm（或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo）、浪涌脈沖寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預定工作壽命期內，浪涌脈沖的總次數(shù)N等。

6、對于電路浪涌和瞬變防護時壓敏電阻的應用連接，大致可分為四種類型：

第一種：電源線之間或電源線和大地之間的連接

作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場合是在電源線及長距離傳輸?shù)男盘柧€遇到雷擊而使導線存在浪涌脈沖等情況下對電子產品起保護作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對線間的感應脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對傳輸線和大地間的感應脈沖有效。若進一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。

第二種：負荷中的連接

它主要用于對感性負載突然開閉引起的感應脈沖進行吸收，以防止元件受到破壞。一般來說，只要并聯(lián)在感性負載上就可以了，但根據電流種類和能量大小的不同，可以考慮與R－C串聯(lián)吸收電路合用。

第三種：接點間的連接

這種連接主要是為了防止感應電荷開關接點被電弧燒壞的情況發(fā)生，一般與接點并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。

第四種：主要用于半導體器件的保護連接

這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導體器件，一般采用與保護器件并聯(lián)的方式，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導體器件是一種有效的保護。

7、壓敏電阻進行ESD防護時需注意的問題

1）壓敏電阻響應的時間應小于ESD電壓上升的時間，因此必須選用片式壓敏電阻進行ESD防護，片式壓敏電阻響應時間小于0.5ns,而插件式壓敏電阻由于引腳的影響，響應時間較慢。

2）壓敏電阻最大直流（交流）工作電壓應大于線路上的工作電壓。

3）對于高速信號傳輸線上的ESD防護盡量選用電容量小的壓敏電阻。

4）安全起見，壓敏電阻瞬態(tài)內阻Rv<1/5R(R為被保護線路上的內阻）


8、過電壓防護時應注意

1）壓敏電阻最大直流（交流）工作電壓大于被保護線路上的工作電壓

2）壓敏電阻的通流能力、能量耐受能力要大于線路上可能出現(xiàn)的電流、能量的峰值。

3）壓敏電阻的限制電壓必須低于被保護線路所能承受的最大的電壓。

4）條件允許盡可能選用容量比較大的壓敏電阻進行過電壓防護，因為一般說來，容量大，通流能力、能量耐受能力越強。