氧化鋅壓敏電阻器的原理簡(jiǎn)介與使用“壓敏電阻是中國(guó)大陸的名詞，意思是在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變，或者是說(shuō)電阻值對(duì)電壓敏感的阻器。相應(yīng)的英文名稱(chēng)叫“voltage dependent resistor”簡(jiǎn)寫(xiě)為“vdr”。
壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體，所以它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)品種?，F(xiàn)在大量使用的氧化鋅（zno）壓敏電阻器，它的主體材料有二價(jià)元素（zn）和六價(jià)元素氧（o）所構(gòu)成。所以從材料的角度來(lái)看，氧化鋅壓敏電阻器是一種“ⅱ-ⅵ族氧化物半導(dǎo)體”。
在中國(guó)臺(tái)灣，壓敏電阻器是按其用途來(lái)命名的，稱(chēng)為突波吸收器。壓敏電阻器按其用途有時(shí)也稱(chēng)為“電沖擊（浪涌）抑制器（吸收器）”。
一、氧化鋅壓敏電阻器微觀結(jié)構(gòu)及特性
氧化鋅壓敏電阻器是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、經(jīng)典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。它的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。氧化鋅陶瓷是由氧化鋅晶粒及晶界物質(zhì)組成的，其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈n型半導(dǎo)體，晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，這樣每一微觀單元是一個(gè)背靠背肖特基勢(shì)壘，整個(gè)陶瓷就是由許多背靠背肖特基墊壘串并聯(lián)的組合體。圖2是壓敏電阻器的等效電路。
氧化鋅壓敏電阻器的典型v-i特性曲線(xiàn)如圖3所示：
預(yù)擊穿區(qū)：在此區(qū)域內(nèi)，施加于壓敏電阻器兩端的電壓小于其壓敏電壓，其導(dǎo)電屬于熱激發(fā)電子電導(dǎo)機(jī)理。因此，壓敏電阻器相當(dāng)于一個(gè)10mω以上的絕緣電阻(rb遠(yuǎn)大于rg)，這時(shí)通過(guò)壓敏電阻器的阻性電流僅為微安級(jí)，可看作為開(kāi)路。該區(qū)域是電路正常運(yùn)行時(shí)壓敏電阻器所處的狀態(tài)。
擊穿區(qū)：壓敏電阻器兩端施加一大于壓敏電壓的過(guò)電壓時(shí)，其導(dǎo)電屬于隧道擊穿電子電導(dǎo)機(jī)理(rb與rg相當(dāng))，其伏安特性呈優(yōu)異的非線(xiàn)性電導(dǎo)特性，即：
i=cvα
其中：i通過(guò)壓敏電阻器的電流、c與配方和工藝有關(guān)的常數(shù)、v壓敏電阻器兩端的電壓、α為非線(xiàn)性系數(shù)，一般大于30
由上式可見(jiàn)，在擊穿區(qū)，壓敏電阻器端電壓的微小變化就可引起電流的急劇變化，壓敏電阻器正是用這一特性來(lái)抑制過(guò)電壓幅值和吸收或?qū)Φ蒯尫胚^(guò)電壓引起的浪涌能量。
上升區(qū)：當(dāng)過(guò)電壓很大，使得通過(guò)壓敏電阻器的電流大于約100a/cm2時(shí)，壓敏電阻器的伏安特性主要由晶粒電阻的伏安特性來(lái)決定。此時(shí)壓敏電阻器的伏安特性呈線(xiàn)性電導(dǎo)特性，即：
i=v/rg
上升區(qū)電流與電壓幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系，壓敏電阻器在該區(qū)域已經(jīng)劣化，失去了其抑制過(guò)電壓、吸收或釋放浪涌的能量等特性。
根據(jù)壓敏電阻器的導(dǎo)電機(jī)理，其對(duì)過(guò)電壓的響應(yīng)速度很快，如帶引線(xiàn)式和專(zhuān)用電極產(chǎn)品，一般響應(yīng)時(shí)間小于25納秒。因此只要選擇和使用得當(dāng)，壓敏電阻器對(duì)線(xiàn)路中出現(xiàn)的瞬態(tài)過(guò)電壓有優(yōu)良的抑制作用，從而達(dá)到保護(hù)電路中其它元件免遭過(guò)電壓破壞的目的。
二、特點(diǎn)
(1) 通流容量大
(2) 限制電壓低
(3) 響應(yīng)速度快
(4) 無(wú)續(xù)流
(5) 對(duì)稱(chēng)的伏安特性(即產(chǎn)品無(wú)極性)
(6) 電壓溫度系數(shù)低
三、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用及注意事項(xiàng)
1、氧化鋅壓敏電阻器應(yīng)用原理
壓敏電阻器與被保護(hù)的電器設(shè)備或元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過(guò)電壓或瞬態(tài)操作過(guò)電壓vs時(shí)，壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備及元器件同時(shí)承受vs，由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線(xiàn)性導(dǎo)電特性(見(jiàn)圖3中擊穿區(qū))，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于vs，這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過(guò)電壓vs，從而使設(shè)備及元器件免遭過(guò)電壓的沖擊。
2、氧化鋅壓敏電阻器的參數(shù)選擇
根據(jù)被保護(hù)電源電壓選擇壓敏電阻器的規(guī)定電流下的電壓v1ma。一般選擇原則為：
對(duì)于直流回路：v1ma≥2.0vdc
對(duì)于交流回路：v1ma≥2.2v有效值
如果電器設(shè)備耐壓水平vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓v1ma較低、片徑較大的壓敏電阻器；如果vo較高，則可選擇壓敏電壓v1ma較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備，又能延長(zhǎng)壓敏電阻使用壽命。
3、氧化鋅壓敏電阻器的使用方法
壓敏電阻器是一種無(wú)極性過(guò)電壓保護(hù)元件，無(wú)論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護(hù)電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的(如圖4所示)
當(dāng)過(guò)電壓幅值高于規(guī)定電流下的電壓，過(guò)電流幅值小于壓敏電阻器的峰值電流時(shí)(若無(wú)壓敏電阻器足以使設(shè)備元器件破壞)，壓敏電阻器處于擊穿區(qū)，可將過(guò)電壓瞬時(shí)限制在很低的幅值上，此時(shí)通過(guò)壓敏電阻器的浪涌電流幅值不大(<100a/cm2),不足以對(duì)壓敏電阻器產(chǎn)生劣化；當(dāng)過(guò)電壓幅值很高時(shí)，壓敏電阻器將過(guò)電壓限制在較低的水平上(小于設(shè)備的耐壓水平)，同時(shí)通過(guò)壓敏電阻器的沖擊電流很大，使壓敏電阻器性能劣化即將失效，這時(shí)通過(guò)熔斷器的電流很大，熔斷器斷開(kāi)，這樣既可使電器設(shè)備、元器件免受過(guò)電壓沖擊，也可避免由于壓敏電阻器的劣化擊穿造成線(xiàn)路l-n、l-pe之間短路(推薦的熔斷器規(guī)格見(jiàn)表1)。
壓敏電阻器在電路的過(guò)電壓防護(hù)中，如果正常工作在圖3的預(yù)擊穿區(qū)和擊穿區(qū)，理論上是不會(huì)損壞的。但由于壓敏電阻器要長(zhǎng)期承受電源電壓，電路中暫態(tài)過(guò)電壓、超能量過(guò)電壓隨機(jī)的不斷沖擊及吸收電路儲(chǔ)能元件釋放能量，因此，壓敏電阻器也是會(huì)損壞的，它的壽命根據(jù)所在電路經(jīng)受的過(guò)電壓幅值和能量的不同而不同。
四、應(yīng)用類(lèi)型
不同的使用場(chǎng)合，應(yīng)用壓敏電阻的目的，作用在壓敏電阻上的電壓/電流應(yīng)力并不相同，因而對(duì)壓敏電阻的要求也不相同，注意區(qū)分這種差異，對(duì)于正確使用是十分重要的。
根據(jù)使用目的的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為兩大類(lèi)：①保護(hù)用壓敏電阻，②電路功能用壓敏電阻。
①保護(hù)用壓敏電阻
（1） 區(qū)分電源保護(hù)用，還是信號(hào)線(xiàn)，數(shù)據(jù)線(xiàn)保護(hù)用壓敏電阻器，它們要滿(mǎn)足不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
（2） 根據(jù)施加在壓敏電阻上的連續(xù)工作電壓的不同，可將跨電源線(xiàn)用壓敏電阻器可區(qū)分為交流用或直流用兩種類(lèi)型，壓敏電阻在這兩種電壓應(yīng)力下的老化特性表現(xiàn)不同。
（3） 根據(jù)壓敏電阻承受的異常過(guò)電壓特性的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為浪涌抑制型，高功率型和高能型這三種類(lèi)型。
★浪涌抑制型：是指用于抑制雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓等瞬態(tài)過(guò)電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過(guò)電壓的出現(xiàn)是隨機(jī)的，非周期的，電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類(lèi)。
★高功率型：是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器，例如并接在開(kāi)關(guān)電源變換器上的壓敏電阻，這里沖擊電壓周期出現(xiàn)，且周期可知，能量值一般可以計(jì)算出來(lái)，電壓的峰值并不大，但因出現(xiàn)頻率高，其平均功率相當(dāng)大。
★高能型：指用于吸收發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線(xiàn)圈，起重電磁鐵線(xiàn)圈等大型電感線(xiàn)圈中的磁能的壓敏電壓器，對(duì)這類(lèi)應(yīng)用，主要技術(shù)指標(biāo)是能量吸收能力。
壓敏電阻器的保護(hù)功能，絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合下，是可以多次反復(fù)作用的，但有時(shí)也將它做成電流保險(xiǎn)絲那樣的一次性保護(hù)器件。例如并接在某些電流互感器負(fù)載上的帶短路接點(diǎn)壓敏電阻。
②電路功能用壓敏電阻
壓敏電阻主要應(yīng)用于瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)，但是它的類(lèi)似于半導(dǎo)體穩(wěn)壓管的伏安特性，還使它具有多種電路元件功能，例如可用作：
（1）直流高壓小電流穩(wěn)壓元件，其穩(wěn)定電壓可高達(dá)數(shù)千伏以上，這是硅穩(wěn)壓管無(wú)法達(dá)到的。
（2）電壓波動(dòng)檢測(cè)元件。
（3）直流電瓶移位元件。
（4）均壓元件。
（5）熒光啟動(dòng)元件