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壓敏電阻的符號、工作原理、類型和作用

压敏電阻是一种变化的電阻,其電阻取决于所施加的电压。压敏電阻的工作原理:VI特性曲线类似于齐纳二極管,当压敏電阻上的电压增加到高于钳位电压时,电流突然增加。处于非导通状态的任何压敏電阻均具有電容,该電容与半导体本体的面积成比例并且与其厚度成反比。

小電阻组件,電阻器用于如此多的电路中,形式多样,几乎是无处不在的电气元件。从電阻保持不变的基本固定電阻到不同类型的可变電阻,其電阻根据不同因素而变化。可变電阻器的类型不同; 有些電阻带的有效长度起到改变電阻器的作用,如电位器和变阻器,然后还有其他一组可变電阻器,其中不可能手动改变電阻,而是对物理因素如此敏感。如温度,电压,磁场等

本文将指导您了解一个依赖于电压的電阻器,称为压敏電阻

什么是压敏電阻?

压敏電阻是一种变化的電阻,其電阻取决于所施加的电压。这个名字是由语言混合的词汇创造出来的; “变化”和“電阻”。它们也被称为VDR [电压相关電阻器]并具有非欧姆特性。因此,它们属于非线性类型的電阻器。

与电位器和变阻器不同,電阻从最小值变为最大值,在压敏電阻中,電阻随施加电压的变化而自动变化。该压敏電阻具有两个半导体元件,并在电路中提供过压保护,类似于齐纳二極管。

那么施加电压的变化如何改变其電阻?嗯,答案在于它的构成。由于它是由半导体材料制成的,因此当其两端的电压增加时,其電阻会下降。当电压过度增加时,其两端的電阻会减小。这种行为使它们成为敏感电路中过压保护的理想选择。

压敏電阻
压敏電阻

现实生活中的压敏電阻如上图所示。您可能会将它们与電容器混淆。然而,压敏電阻和電容与其尺寸和设计没有任何共同之处。

压敏電阻用于抑制电压,而電容器不能执行这些功能。

压敏電阻符号

在早期,压敏電阻表示为两个彼此反平行放置的二極管,如图所示,因为它在两个电流方向上都具有类似二極管的特性。但是,现在该符号用于DIAC。在现代电路中,压敏電阻的符号如下所示。

压敏電阻-电路符号
压敏電阻 - 电路符号


压敏電阻-标准符号
压敏電阻 - 标准符号

您可能想知道压敏電阻如何帮助抑制电路中的瞬态电压?要理解这一点,让我们首先了解电压瞬变的来源。电压和电源瞬态电压的来源无论是从交流电源还是直流电源工作,都是因为它们来自电路本身,或者来自任何外部电源。这些瞬变导致电压增加到几千伏,这可能证明电路是灾难性的。

因此,需要抑制這些電壓瞬變。

由感应线圈,变压器磁化电流和其他直流电动机开关应用的切换引起的L(di / dt)效应是最常见的电压瞬变源。

下圖顯示了交流瞬態的波形。

压敏電阻交流瞬态波形
压敏電阻交流瞬态波形

电路中的压敏電阻连接可以按如下方式进行:

1.在交流電路中:相到中性或相到相
2.在直流電路中:正極到負極。


压敏電阻的静电電阻和电压:

“压敏電阻”这个名称暗示了一种提供電阻器或变阻器等電阻的器件,但压敏電阻的实际功能与它们完全不同。

首先,電阻的变化不能像在锅或变阻器中那样手动完成。其次,在正常工作电压下,压敏電阻提供的電阻非常高。由于该电压突然开始增加,主要是由于电路中产生的电压瞬变或外部源引起的电压瞬变,電阻开始迅速下降。

静电電阻与压敏電阻两端的电压之间的关系如下图所示。

压敏電阻-静态電阻VS电压
压敏電阻 - 静态電阻VS电压

压敏電阻的工作原理

为了解释压敏電阻的工作原理,让我们使用下图所示的VI特性来更好地理解它。

压敏電阻电压-电流特性
压敏電阻电压 - 电流特性

压敏電阻的VI特性曲线类似于齐纳二極管。它本质上是双向的,因为我们看到它在第一和第三象限都运行。此功能使其适合将其连接到具有AC或DC电源的电路中。对于AC源,它很容易,因为它可以在正弦波的任一方向或极性中起作用。

图中所示的钳位电压或压敏電阻电压定义为通过压敏電阻的电流非常低的电压,大多数为几毫安量级。该电流通常称为漏电流。当钳位电压施加在压敏電阻上时,这个漏电流值是由压敏電阻的高電阻引起的。

现在看一下VI特性,我们看到当压敏電阻上的电压增加到高于钳位电压时,电流突然增加。

这是由于被称为雪崩击穿的现象导致的電阻突然降低,其中高于阈值电压(在这种情况下为钳位电压)电子开始快速流动,从而降低電阻并增加通过压敏電阻的电流。

这有助于在电压瞬变期间,例如当电路经历高瞬态电压时,压敏電阻两端的电压增加到大于其额定(钳位)电压的值,这反过来增加电流并充当导体。

从VI特性可以看出,压敏電阻的另一个特点是,即使电流增加,其上的电压也几乎等于钳位电压。这意味着即使在电压瞬变的情况下它也像自调节器那样起作用,使其更适合于它,因为它在这种情况下保持电压增加。

陡峭的非线性曲线表明,过大的电流可以在非常窄的电压范围内通过压敏電阻(表明其自调节特性),并且可以抑制任何电压尖峰。

压敏電阻中的電容

如前面部分所述,压敏電阻的绝缘状态意味着其上施加的电压等于或小于钳位电压。

变阻器处于非导通状态或绝缘状态,更像電容器而不是電阻器。由于压敏電阻的半导体本体在其绝缘状态下起到绝缘体的作用,因此可以将其视为介电材料,而两个端子可以视为两个电极。

因此,这意味着处于非导通状态的任何压敏電阻将具有電容,该電容与半导体本体的面积成比例并且与其厚度成反比。

然而,当压敏電阻经历其上的电压上升时,它失去其绝缘特性并开始导电。在这种情况下,它不再具有電容。

因此,回到压敏電阻的電容器行为,一个主要问题出现在一个人的脑海中。交流和直流电路的行为方式是否相同?

这个问题的答案在于这些电路的频率。我们知道在直流电路中,频率没有作用。因此,電容保持到电压等于或小于额定电压。

但在交流电路中,情况则不同。频率在这里发挥着重要作用。因此,在其非导电区域中,压敏電阻的電容会影响其電阻。

由于这些压敏電阻通常与要保护的电子器件并联连接,因此漏電阻随着频率的增加而下降。得到的平行電阻和频率具有线性关系。

對于交流電路,容差由公式給出压敏電阻容差公式,其中f =电路频率,C =電容。

因此,在這些電路中,漏電流隨著頻率的增加而增加。

现在让我们简要讨论压敏電阻的重要类型。

压敏電阻的类型

压敏電阻的类型取决于其主体的材料类型。下面讨论了两种最常见的压敏電阻类型。

1.碳化硅压敏電阻:从名称本身可以猜到,压敏電阻的主体由碳化硅(SiC)制成。在新的MOV进入市场之前,它曾被广泛使用过一次。现在,它们被广泛用于高功率,高压应用中。然而,它们消耗了大量的待机电流,这是这种压敏電阻的主要缺点。因此,需要一系列间隙来限制待机功耗。

2.金属氧化物压敏電阻(MOV):由于SiC压敏電阻具有一些严重的缺点,因此开发了另一种类型的压敏電阻金属氧化物压敏電阻。它提供了非常好的电压瞬变保护,现在非常流行。

這裏的主體由金屬氧化物制成,主要是氧化鋅顆粒。它們被壓制成陶瓷塊,含有90%的氧化鋅顆粒和10%的其他金屬氧化物,如钴,铋和錳。

然後將其夾在兩個金屬板之間。10%的钴铋和錳的金屬氧化物充當氧化鋅顆粒的粘合劑,使其在兩個金屬板之間保持完整。連接端子或引線連接到兩個金屬板。

下圖顯示了MOV的內部結構。

金属氧化物压敏電阻-内部结构
金属氧化物压敏電阻 - 内部结构

MOV相对于碳化硅压敏電阻的主要优点是其低漏电流。MOV在正常工作条件下具有非常低的漏电流。

MOV還具有非常高水平的非線性電流電壓特性。

這種類型的一個缺點是,浪湧電流取決于瞬態脈沖的寬度和脈沖重複的次數。因此,對于具有高脈沖寬度的瞬態脈沖,浪湧電流將上升並且可能導致發熱問題。

然而,通過耗散從瞬態脈沖吸收的能量可以避免這種加熱。

另一种重要类型的压敏電阻存在于市场上,称为SMD或表面贴装器件压敏電阻。

表面贴装器件压敏電阻

它们与所有其他压敏電阻一样,主要用于保护电路。主体可以是金属氧化物或碳化硅。这些压敏電阻和传统压敏電阻之间的主要区别在于它尺寸小,采用表面贴装技术制造。这意味着这些器件可以很容易地连接到PCB中,因为它们的引线尺寸较小,或者它们的引脚焊接到电路板表面的焊盘上,从而无需PCB中的孔。

一些流行的SMD压敏電阻包括:AUML系列 - 多层瞬态电压浪涌抑制器,MLA AUTO系列--Littelfuse MLA汽车多层压敏電阻(MLV)系列,

一些樣品SMD如下圖所示:

SMD压敏電阻
SMD压敏電阻

結論:
“压敏電阻”是两个术语变化和電阻的合并。虽然这个名字暗示这个设备可以像电位器或变阻器那样工作,但它的工作却完全不同。这里電阻相对于电压变化。

压敏電阻的主要应用是保护电路免受电压瞬变的影响。

压敏電阻的半导体本体也有助于它。与齐纳二極管一样,压敏電阻的VI特性曲线显示特定阈值电压后的电流浪涌。该阈值电压称为额定电压或钳位电压。当压敏電阻上施加的电压远低于或等于钳位电压时,压敏電阻具有高電阻,因此称其处于绝缘状态。然而,当该电压增加超过钳位电压时,由于半导体本体中的雪崩击穿,電阻下降。在这种情况下,压敏電阻据说处于导通状态。

市场上有两种主要类型的压敏電阻,即碳化硅和金属氧化物压敏電阻。碳化硅逐渐被金属氧化物压敏電阻取代,因为前者具有相当高的漏电流量。

压敏電阻也可用于表面贴装器件,可帮助它们在PCB电路中轻松制造。


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