压敏电阻器在电路设计中的应用

摘 要：　压敏电阻器（VDR）（varistor；　voltage-dependent　resistor），简称压敏电阻，是一种过电压防护器件。介绍压敏电阻的特性及关键参数；给出压敏电阻选型及在电路设计中的典型应用，同时给出压敏电阻使用注意事项。

关键词：　压敏电阻；电路设计；过压防护器件

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110142－02

压敏电阻器（VDR），简称压敏电阻，是一种电压敏感元件，其特点是在该元件上的外加电压增加到某一临界值（压敏电压值）时，其阻值将急剧减小。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”。

文字符号：“RV”或“R”

结构——根据半导体材料的非线性特性制成的。

1　压敏电阻的特性及关键参数

1.1　压敏电阻的特性

压敏电阻器的电压与电流不遵守欧姆定律，而成特殊的非线性关系。当两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过；当两端所加电压略高于标称额定电压值时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大；当两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器又恢复为高阻状态；当两端所加电压超过最大限制电压值时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。

1.2　压敏电阻的关键参数

1.2.1　压敏电压

压敏电压即击穿电压或阈值电压。一般认为是在温度为20度时，在压敏电阻上有1mA电流流过的时候，相应加在该压敏电阻器两端的电压值。压敏电压是压敏电阻I－U曲线拐点上的非线性起始电压，是决定压敏电阻额定电压的非线性电压。为了保证电路在正常的工作范围内，压敏电阻正常工作，压敏电压值必须大于被保护电路的最大额定工作电压。

1.2.2　最大限制电压

最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。通俗的解释是：当浪涌电压超过压敏电压时，在压敏电阻两端测得的最高峰值电压，也叫最大钳位电压。为了良好的保证被保护电路不受损害，在选择压敏电阻时，压敏电阻的最大限制电压，一定要小于电路额定最大工作电压（采用多级防护时，可另行考虑）。

1.2.3　通流容量

通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。

通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形、冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品所能承受的最大电流值。而产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数，当电流波形幅值降低50％时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻所吸收的浪涌电流应大于产品的最大通流量。

压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的，则选用2－20kA的产品。如手头产品的通流量不能满足使用要求时，可将几只单个的压敏电阻并联使用，并联后的压敏电压不变，其通流量为各单只压敏电阻数值之和。要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同，否则易引起分流不均匀而损坏压敏电阻。

1.2.4　电压比

电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。

1.2.5　残压比

流过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压。残压比则的残压与标称电压之比。

1.2.6　漏电流

漏电流也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器的电流。漏电流越小越好。对于漏电流特别应强调的是必须稳定，不允许在工作中自动升高，一旦发现漏电流自动升高，就应立即淘汰，因为漏电流的不稳定是加速防雷器老化和防雷器爆炸的直接原因。因此在选择漏电流这一参数时，不能一味地追求越小越好，只要是在电网允许值范围内，选择漏电流值相对稍大一些的防雷器，反而较稳定。

2　压敏电阻在电路设计中的典型应用

压敏电阻被广泛应用于电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等。以下是压敏电阻电路应用中的几个典型实例。

2.1　电路输入过压保护

大气过电压由于雷击引起，大多数属于感应性过电压，雷击对输电线路放电产生的过电压，这种过电压的电压值很高，可达100～10000V，造成的危害极大。因此对于必须对电气设备采取措施防止大气过电压。可以采用压敏电阻器。一般采用与设备并联。如果电气设备要求残压很低时，可以采用多级防护。

2.2　防止操作过电压防护电路

操作过电压是电路工作状态突然变化时，电磁能量急剧转化，快速释放时产生的一种过电压，防止这种过电压可以用压敏电阻器保护各种电源设备、电机等。图2为压敏电阻防止操作过电压的一个例子。

2.3　半导体器件的过压保护

为了防止半导体器件工作时由于某些原因产生过电压时被烧毁，常用压敏电阻加以保护，图3所示电路中，在晶体管发射极和集电极之间，或者在变压器的一次连接压敏电阻，能有效地保护过电压对晶体管的损伤。在正常状态下，压敏电阻呈高阻态，只有很想的漏电流，而当承受过电压时，压敏电阻迅速变成低阻状态，过电压能量以放电电流的形式被压敏电阻吸收，浪涌电压消失以后，当电路或元件承受正常电压时，压敏电阻又恢复到高阻状体。对于二极管和晶闸管来说，一般将压敏电阻和这些半导体元件并联或者于电源并联，而且应满足两个要求：一是重复动作的方向电压要大与压敏电阻的残压，二是非重复动作的反向电压也要大于压敏电阻的残压。

2.4　接触器、继电器防护器

当切断含有接触器，继电器等感性负载的的电路时，其过电压可以超过电源电压的数倍，过电压造成接点间电弧和火花放电，烧损触头，缩短设备寿命。由于压敏电阻在高电位的分流作用，从而保护了触点。压敏电阻和线圈并联时，触点间的过电压等于电源电压与压敏电阻残压之和，压敏电阻吸收的能量为线圈存储的能量，压敏电阻与触点串联时，触点的过电压等于压敏电阻的残压，压敏电阻吸收的能量为线圈存储能量的1.2倍。

3　压敏电阻应用注意事项

1）压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。

2）压敏电阻的结电容一般在几百到几千pF的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量比TVS管大，但比气体放电管小。

3）压敏电压的参数选择。一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般应使用下式进行选择：

式中：a为电路电压波动系数，一般取1.23；v为电路直流工作电压（交流时为有效值）；b为压敏电压误差，一般取0.85（实际取值参照产品数据手册）；c为元件的老化系数，一般取0.9。

这样计算得到的V（1mA）实际数值是最大直流工作电压的1.5－2倍，在正弦交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大 倍。信号线1.2-1.5倍。

4）必须保证在电压波动最大时，连续工作电压也不会超过最大允许值，否则将缩短压敏电阻的使用寿命。

5）在电源线与大地间使用压敏电阻时，有时由于接地不良而使线与地之间电压上升，所以通常采用在线与线间大地使用场合采用更高标称电压的压敏电阻器。

6）最大限制电压。选用的压敏电阻的残压最大允许电压一定要小于被保护物电路的最大承受电压耐压水平Vo，否则便达不到可靠的保护目的，通常冲击电流Ip值较大。

4　结语

压敏电阻是有效的过电压防护器件，随着压敏电阻的迅速发展而被广泛应用。本文通过介绍压敏电阻的特性及关键参数、典型应用和电路设计中的注意事项，使压敏电阻在电路设计应用中发挥最佳性能，有效解决电路瞬变干扰引起的过压问题，大大提高电子设备的安全性和可靠性。