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壓敏電阻的符號、工作原理、類型和作用

壓敏電阻是一種變化的電阻,其電阻取決于所施加的電壓。壓敏電阻的工作原理:VI特性曲線類似于齊納二極管,當壓敏電阻上的電壓增加到高于鉗位電壓時,電流突然增加。處于非導通狀態的任何壓敏電阻均具有電容,該電容與半導體本體的面積成比例并且與其厚度成反比。

小電阻組件,電阻器用于如此多的電路中,形式多樣,幾乎是無處不在的電氣元件。從電阻保持不變的基本固定電阻到不同類型的可變電阻,其電阻根據不同因素而變化。可變電阻器的類型不同; 有些電阻帶的有效長度起到改變電阻器的作用,如電位器和變阻器,然后還有其他一組可變電阻器,其中不可能手動改變電阻,而是對物理因素如此敏感。如溫度,電壓,磁場等

本文將指導您了解一個依賴于電壓的電阻器,稱為壓敏電阻

什么是壓敏電阻?

壓敏電阻是一種變化的電阻,其電阻取決于所施加的電壓。這個名字是由語言混合的詞匯創造出來的; “變化”和“電阻”。它們也被稱為VDR [電壓相關電阻器]并具有非歐姆特性。因此,它們屬于非線性類型的電阻器。

與電位器和變阻器不同,電阻從最小值變為最大值,在壓敏電阻中,電阻隨施加電壓的變化而自動變化。該壓敏電阻具有兩個半導體元件,并在電路中提供過壓保護,類似于齊納二極管。

那么施加電壓的變化如何改變其電阻?嗯,答案在于它的構成。由于它是由半導體材料制成的,因此當其兩端的電壓增加時,其電阻會下降。當電壓過度增加時,其兩端的電阻會減小。這種行為使它們成為敏感電路中過壓保護的理想選擇。

壓敏電阻
壓敏電阻

現實生活中的壓敏電阻如上圖所示。您可能會將它們與電容器混淆。然而,壓敏電阻和電容與其尺寸和設計沒有任何共同之處。

壓敏電阻用于抑制電壓,而電容器不能執行這些功能。

壓敏電阻符號

在早期,壓敏電阻表示為兩個彼此反平行放置的二極管,如圖所示,因為它在兩個電流方向上都具有類似二極管的特性。但是,現在該符號用于DIAC。在現代電路中,壓敏電阻的符號如下所示。

壓敏電阻-電路符號
壓敏電阻 - 電路符號


壓敏電阻-標準符號
壓敏電阻 - 標準符號

您可能想知道壓敏電阻如何幫助抑制電路中的瞬態電壓?要理解這一點,讓我們首先了解電壓瞬變的來源。電壓和電源瞬態電壓的來源無論是從交流電源還是直流電源工作,都是因為它們來自電路本身,或者來自任何外部電源。這些瞬變導致電壓增加到幾千伏,這可能證明電路是災難性的。

因此,需要抑制這些電壓瞬變。

由感應線圈,變壓器磁化電流和其他直流電動機開關應用的切換引起的L(di / dt)效應是最常見的電壓瞬變源。

下圖顯示了交流瞬態的波形。

壓敏電阻交流瞬態波形
壓敏電阻交流瞬態波形

電路中的壓敏電阻連接可以按如下方式進行:

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。


壓敏電阻的靜電電阻和電壓:

“壓敏電阻”這個名稱暗示了一種提供電阻器或變阻器等電阻的器件,但壓敏電阻的實際功能與它們完全不同。

首先,電阻的變化不能像在鍋或變阻器中那樣手動完成。其次,在正常工作電壓下,壓敏電阻提供的電阻非常高。由于該電壓突然開始增加,主要是由于電路中產生的電壓瞬變或外部源引起的電壓瞬變,電阻開始迅速下降。

靜電電阻與壓敏電阻兩端的電壓之間的關系如下圖所示。

壓敏電阻-靜態電阻VS電壓
壓敏電阻 - 靜態電阻VS電壓

壓敏電阻的工作原理

為了解釋壓敏電阻的工作原理,讓我們使用下圖所示的VI特性來更好地理解它。

壓敏電阻電壓-電流特性
壓敏電阻電壓 - 電流特性

壓敏電阻的VI特性曲線類似于齊納二極管。它本質上是雙向的,因為我們看到它在第一和第三象限都運行。此功能使其適合將其連接到具有AC或DC電源的電路中。對于AC源,它很容易,因為它可以在正弦波的任一方向或極性中起作用。

圖中所示的鉗位電壓或壓敏電阻電壓定義為通過壓敏電阻的電流非常低的電壓,大多數為幾毫安量級。該電流通常稱為漏電流。當鉗位電壓施加在壓敏電阻上時,這個漏電流值是由壓敏電阻的高電阻引起的。

現在看一下VI特性,我們看到當壓敏電阻上的電壓增加到高于鉗位電壓時,電流突然增加。

這是由于被稱為雪崩擊穿的現象導致的電阻突然降低,其中高于閾值電壓(在這種情況下為鉗位電壓)電子開始快速流動,從而降低電阻并增加通過壓敏電阻的電流。

這有助于在電壓瞬變期間,例如當電路經歷高瞬態電壓時,壓敏電阻兩端的電壓增加到大于其額定(鉗位)電壓的值,這反過來增加電流并充當導體。

從VI特性可以看出,壓敏電阻的另一個特點是,即使電流增加,其上的電壓也幾乎等于鉗位電壓。這意味著即使在電壓瞬變的情況下它也像自調節器那樣起作用,使其更適合于它,因為它在這種情況下保持電壓增加。

陡峭的非線性曲線表明,過大的電流可以在非常窄的電壓范圍內通過壓敏電阻(表明其自調節特性),并且可以抑制任何電壓尖峰。

壓敏電阻中的電容

如前面部分所述,壓敏電阻的絕緣狀態意味著其上施加的電壓等于或小于鉗位電壓。

變阻器處于非導通狀態或絕緣狀態,更像電容器而不是電阻器。由于壓敏電阻的半導體本體在其絕緣狀態下起到絕緣體的作用,因此可以將其視為介電材料,而兩個端子可以視為兩個電極。

因此,這意味著處于非導通狀態的任何壓敏電阻將具有電容,該電容與半導體本體的面積成比例并且與其厚度成反比。

然而,當壓敏電阻經歷其上的電壓上升時,它失去其絕緣特性并開始導電。在這種情況下,它不再具有電容。

因此,回到壓敏電阻的電容器行為,一個主要問題出現在一個人的腦海中。交流和直流電路的行為方式是否相同?

這個問題的答案在于這些電路的頻率。我們知道在直流電路中,頻率沒有作用。因此,電容保持到電壓等于或小于額定電壓。

但在交流電路中,情況則不同。頻率在這里發揮著重要作用。因此,在其非導電區域中,壓敏電阻的電容會影響其電阻。

由于這些壓敏電阻通常與要保護的電子器件并聯連接,因此漏電阻隨著頻率的增加而下降。得到的平行電阻和頻率具有線性關系。

對于交流電路,容差由公式給出壓敏電阻容差公式,其中f =電路頻率,C =電容。

因此,在這些電路中,漏電流隨著頻率的增加而增加。

現在讓我們簡要討論壓敏電阻的重要類型。

壓敏電阻的類型

壓敏電阻的類型取決于其主體的材料類型。下面討論了兩種最常見的壓敏電阻類型。

1.碳化硅壓敏電阻:從名稱本身可以猜到,壓敏電阻的主體由碳化硅(SiC)制成。在新的MOV進入市場之前,它曾被廣泛使用過一次。現在,它們被廣泛用于高功率,高壓應用中。然而,它們消耗了大量的待機電流,這是這種壓敏電阻的主要缺點。因此,需要一系列間隙來限制待機功耗。

2.金屬氧化物壓敏電阻(MOV):由于SiC壓敏電阻具有一些嚴重的缺點,因此開發了另一種類型的壓敏電阻金屬氧化物壓敏電阻。它提供了非常好的電壓瞬變保護,現在非常流行。

這里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,如鈷,鉍和錳。

然后將其夾在兩個金屬板之間。10%的鈷鉍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。

金屬氧化物壓敏電阻-內部結構
金屬氧化物壓敏電阻 - 內部結構

MOV相對于碳化硅壓敏電阻的主要優點是其低漏電流。MOV在正常工作條件下具有非常低的漏電流。

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,浪涌電流取決于瞬態脈沖的寬度和脈沖重復的次數。因此,對于具有高脈沖寬度的瞬態脈沖,浪涌電流將上升并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。

另一種重要類型的壓敏電阻存在于市場上,稱為SMD或表面貼裝器件壓敏電阻。

表面貼裝器件壓敏電阻

它們與所有其他壓敏電阻一樣,主要用于保護電路。主體可以是金屬氧化物或碳化硅。這些壓敏電阻和傳統壓敏電阻之間的主要區別在于它尺寸小,采用表面貼裝技術制造。這意味著這些器件可以很容易地連接到PCB中,因為它們的引線尺寸較小,或者它們的引腳焊接到電路板表面的焊盤上,從而無需PCB中的孔。

一些流行的SMD壓敏電阻包括:AUML系列 - 多層瞬態電壓浪涌抑制器,MLA AUTO系列--Littelfuse MLA汽車多層壓敏電阻(MLV)系列,

一些樣品SMD如下圖所示:

SMD壓敏電阻
SMD壓敏電阻

結論:
“壓敏電阻”是兩個術語變化和電阻的合并。雖然這個名字暗示這個設備可以像電位器或變阻器那樣工作,但它的工作卻完全不同。這里電阻相對于電壓變化。

壓敏電阻的主要應用是保護電路免受電壓瞬變的影響。

壓敏電阻的半導體本體也有助于它。與齊納二極管一樣,壓敏電阻的VI特性曲線顯示特定閾值電壓后的電流浪涌。該閾值電壓稱為額定電壓或鉗位電壓。當壓敏電阻上施加的電壓遠低于或等于鉗位電壓時,壓敏電阻具有高電阻,因此稱其處于絕緣狀態。然而,當該電壓增加超過鉗位電壓時,由于半導體本體中的雪崩擊穿,電阻下降。在這種情況下,壓敏電阻據說處于導通狀態。

市場上有兩種主要類型的壓敏電阻,即碳化硅和金屬氧化物壓敏電阻。碳化硅逐漸被金屬氧化物壓敏電阻取代,因為前者具有相當高的漏電流量。

壓敏電阻也可用于表面貼裝器件,可幫助它們在PCB電路中輕松制造。


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