压敏电阻器基础知识

  式 1.2.2 和式 1.2.3 是科学工作者通过对压敏电阻长期研究后总结出的经验公式， 其正确 性已得到全球范围的公认。 仔细研究世界各国不同压敏电阻厂家的产品样本不难发现， 有的 厂家给出的 URMS 和 UDC 是完全按照公式计算出来的， 而有的厂家给出的 URMS 和 UDC 则与计 算值有些出入，作者觉得后者对用户采取了更负责任的态度；按照 IEC 有关标准的规定， 生产厂商应通过标准的试验方法来确定其产品能够实际承受的 URMS 和 UDC，具体规定的方 法是在 85℃的环境和温度下，给压敏电阻持续施加 URMS 和 UDC 的计算值，经过 1000 小时后， 如果试品的 UN 的变化不超过±10％，则压敏电阻的 MCOV 可按计算值向用户承诺，如达 不到要求，就必须降额并再经试验验证后向用户提交真实的 URMS 和 UDC 值。 1.2.3 漏电流 IL（leakage current） 在没有过电压的情况下，压敏电阻处于“截止”状态，因此不参与电路的正常工作；这 时用户想要压敏电阻要安静地“休息” ，所有参数都不能在规定年限内发生明显的变化，更 不能出现发热、起火现象。但即使在不导通的情况下，压敏电阻两头仍然有一定的工作电压 存在（通过上面的介绍，我们已知道：这个长期施加在压敏电阻上的电压最大也不会超过 规定的 URMS 或 UDC） ，同时压敏电阻在不导通的情况下也不是绝缘体，因此压敏电阻会在正 常工作电压的驱动下产生一定量的泄漏电流（简称漏电流） 。 IEC 对漏电流 IL 较为普遍的定义是：环境和温度 25℃时，在压敏电阻上施加其所属规格 的最大连续直流工作电压 UDC，流过压敏电阻的直流电流。有的厂家按照每个用户的特殊需要对 个别规格的压敏电阻也规定了交流漏电流（有效值）的指标和相应的测量方法。由于交流漏 电流在使用上很不普遍，而且在测量上难度较大，这里不对它专门加以讨论，只需要指出一 点：交流漏电流的大小不仅与交流电压（有效值）的大小有关，也和它的频率有关，频率越 高，漏电流越大。另外，还有根据具体的压敏电压，按比例加压的测量漏电流的方法，这种 方法一般仅用于压敏材料的研究，这里也不做详细介绍。 虽然大多数生产厂商都没有在产品说明书里面规定漏电流的具体指标， 但是它并非无关紧 要； 经验表明： 压敏电阻出厂时的初始泄漏电流与压敏电阻的寿命特性和安全性都有较为密 切的关系，因此比较内行的用户会提出特殊的漏电流要求。一般而言，在材料配方和烧结工 艺固定的情况下， 漏电流适中的压敏电阻具备比较好的安全性和较长的寿命； 漏电流过大通常

  （1.2.1） 式中，K 为常数、α 表示击穿区的非线 预击穿区的伏安特性

  回升区的特性呈现 J∝E 的欧姆关系。 压敏电阻的伏安特性随温度的变化如图 1-2-3 所示。 由该图可见预击穿区的 V/I 特性随气温变化很 大，即在外加电压相同的情况下，流过压敏电阻的 电流会随着环境和温度的提高而大幅度增加；击穿区 的 V/I 特性几乎不受温度的影响。 虽然每只压敏电阻都有它特定的 V/I 特性曲线， 但是同规格压敏电阻的 V/I 特性曲线又是比较近似 的，我们在产品说明书里面只要给出每个规格产品的 最典型 V/I 特性曲线，一般就能够完全满足用户的需要。 从压敏电阻的典型伏安特性曲线）我 们可以很直观地理解压敏电阻的功能和大多数电性 能参数的实际意义，及其它们的在应用中作用。下 面，我们详细介绍压敏电阻的电性能参数。

  考电压、导通电压等等。 1.2.2 最大连续工作电压 MCOV（maximum continuous operating voltage） 由于压敏电阻具有正反向对称的伏安特性， 因此它既可以应用于直流电路， 也可以用于 交流电路，最大连续工作电压 MCOV 指的是压敏电阻在应用时能长期承受的最大直流电压 UDC 或最大交流电压有效值 URMS。压敏电阻有一个非常特殊的特性：长期的静态功率很小， 而瞬间的动态功率很大，如瓷片直径 20mm、U1mA 为 200V 的压敏电阻，其长期的静态功率 仅有 1W，而在操作过电压下的瞬间动态功率却能达到 50,000W，在雷击过电压作用下的瞬 间动态功率则高达 9,000,000W 以上。由于压敏电阻的静态功率很小，因此施加在压敏电阻 两端的长期工作电压绝对要小于其压敏电压 UN，否则压敏电阻将因不堪重负而烧毁。 如压敏电阻用于交流电路，确定 URMS 的原则是：最大连续交流工作电压的峰值 （ 2 URMS）不大于压敏电压 UN 的公差（±10％）下限值，用公式表达则为：

  过电压、吸收浪涌能量。 从以上定义我们大家可以看出：压敏电阻器既是一种过电压的传感器（sensor） ，同时又是 过电压的抑制器； 因此我们对压敏电阻器的要求不仅包括它作为传感器的各种技术指标， 而 且也包括它作为动作元件的特性、寿命和安全要求。 由于压敏电阻器具有电阻值随着外加电压敏感变化的特性， 所以它属于半导体陶瓷元件 大家族中一员，其他的半导体陶瓷元件主要有，对温度敏感的 PTC、NTC 以及各种气敏、 湿敏、光敏、磁敏等元件。 在压敏电阻的发展史上，除了氧化锌压敏电阻以外，还曾出现过齐纳二极管、SiC、硒 堆、氧化锡等压敏电阻，由于齐纳二极管性价比较低、SiC、硒堆、氧化锡等压敏电阻的特 性不能满足应用的需要，现在都已经被氧化锌压敏电阻取代；现在，我们一提到压敏电阻， 几乎全部指的是氧化锌压敏电阻。 氧化锌压敏电阻起源于日本。1967 年 7 月，日本松下电器公司无线电实验室（Wireless Research Laboratory, Matsushita Electric Industry Co., Ltd）的松冈道雄在研究金属电极—氧化 锌陶瓷界面时，无意中发现 ZnOBi2O3 复合陶瓷具有压敏特性。进一步的实验又发现，如 果在以上二元系陶瓷中再加入微量的氧化锰、氧化钴、氧化铬、氧化锑等多种氧化物，这种 复合陶瓷的非线 左右，其外特性类似两支反并联在一起的齐纳二极管， 通流能力不亚于 SiC 材料， 临界击穿电压可以通过改变元件的尺寸方便地加以调节， 而且这 种性能优异的压敏元件通过简单的陶瓷工艺就能制造出来，因而性能—价格比极高。 1972 年美国通用电气公司（GE）购买了松下有关氧化锌压敏材料的大部分专利和技术 诀窍。 自从美国掌握了氧化锌压敏材料的制造技术以后， 有关这种材料的基础研究工作得以 大规模地进行。自 1980 年代起，对氧化锌压敏材料的研究逐渐走出了企业。在基础研究的 指导和推动下，压敏电阻的性能得到不断的提升，应用领域不断扩大；产品的外形已从“阀 片式” 、 “圆片引线式”发展到了“表面贴装式”和“阵列式” ，使用电压等级已扩展到从 5 伏到 50 万伏的全系列，目前已经到了“有电必有压敏电阻”的程度。 1.2 压敏电阻器的伏安特性和电性能参数 与其他元件相比，压敏电阻器的电性能参数较多，若要很好地理解这些参数的意义，就 要首先了解压敏电阻器的外加电压与流过压敏电阻器本体电流之间的关系， 这个关系被称为 伏安特性（V/I 特性） 。 压敏电阻的典型伏安特性如图 拐点 1-2-1 所示。由该图看出，V/I 曲线可 明显地分为三个区域：预击穿区 (J=0~10-5A/cm2) 、 击 穿 区 （ J= 10-5~10A/cm2） 、 回升区 （J 10A/cm2） 。 预击穿区的 V/I 特性呈现 lgJ∝ 1/2 E 的关系，如图 1-2-2 所示。 电流密度 J ( A/cm2 ) 击穿区的特性呈观 lgJ∝lgE 的关 图 1-2-1 压敏电阻的伏安特性（24℃） 系，且可表示为：

  压敏电阻的确切定义可从材料、特性和用途三个方面综合得出。从材料组成上看，压敏 电阻是由电子级粉体材料－氧化锌、氧化铋、氧化锑、氧化钛、氧化钴、氧化锰、氧化镍、 氧化铬等多种氧化物合成的，其中，氧化锌的含量最高（约 90％） ，是主基料；其他各种过 渡金属氧化物的含量相差很大， 较多的占百分之几， 较小的仅有十万分之几， 被称为添加剂； 压敏电阻就是由主基料和添加剂按照配方一一称好后， 经球磨、 喷雾造粒、 干压成型、 排胶、 烧结、表面金属化、插片、包封、打标等一系列标准的精细电子陶瓷和通用元件工艺制造而 成的。 从特性或功能上看， 压敏电阻器是一种电阻值随着外加电压敏感变化的电阻器， 因此它 的主要用途是：异常过电压的感知、抑制和浪涌能量的吸收。 综上所述，我们大家可以给压敏电阻下这样一个定义： 压敏电阻是由在电子级 ZnO 粉末基料中掺入少量的电子级 Bi2O3、 Co2O3、 MnO2 、 Sb2O3、 TiO2、Cr2O3、Ni2O3 等多种添加剂，经混合、成型、烧结等工艺过程制成的精细电子陶瓷； 它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性， 主要用于感知、 限制电路中可能出现的各种瞬态

  如压敏电阻用于直流电路，确定 UDC 的原则是：压敏电阻在 UDC 作用下的功耗与其在 URMS 作用下的功耗大体相等或略小与其在 URMS 作用下的功耗， 以此原则得出的经验公式为：

  1.1 什么是“压敏电阻器” “压敏电阻器”是中国大陆通用的名词，在中国台湾地区，它被称为“突波吸收器” ； 在日本，它被称为“變阻器” ；国际电工委员会（IEC）在其标准中称之为“voltage dependent resistor” （简称 VDR） ；而在业界和学术界最广泛使用的名词则是“varistor” （即由 variable 和 resistor 两个英文单词组成的组合词） 。从字面上理解，这些名词的含义为“电阻值随着外 加电压敏感变化的电阻器” 。 那么压敏电阻器的电阻值是如何随着外加电压变化敏感的呢？图 1-1-1 和表 1-1-1 可以 给我们一个比较直观的说明。从中我们大家可以看到，型号为 20D201K 的压敏电阻器随着外加 电压从 180V 上升到 420V，其电阻值从 18 MΩ 下降为 0.42Ω，在这个过程里，电压仅上升 了 2.33 倍，而电阻值下降了 4280 多万倍。由此可见压敏电阻器的电阻值对外加电压的变化 是非常“敏感”的。

  1.2.1 压敏电压 UN（varistor voltage）和直流参考电流 I0 从压敏电阻的典型伏安特性曲线）我们大家可以明显地看出：压敏电阻在其 V/I 特性曲线的预击穿区内有一个拐点， 这个拐点对应着一个特定的拐点电压和一个特定的拐点 电流；当外加电压高于这个拐点电压，压敏电阻就进入“导通”状态（电阻值变小） ；当外 加电压低于这个拐点电压，压敏电阻就进入了“截止”状态（电阻值变大） 。压敏电阻的最 重要的特性就是电阻值随外加电压敏感变化，V/I 特性曲线中的拐点电压最能反应压敏电阻 的这一重要特性，因此我们大家可以将拐点电压理解为压敏电阻的压敏电压 UN（导通和截止两 种状态之间的临界电压） 。 由于压敏电阻是一种内部不完全均匀的陶瓷元件， 即使是同一规格的压敏电阻， 每只元 件的拐点电流都不完全一样。为了标准化的需要，国际电工委员会（IEC）人为规定了两个测 量压敏电阻拐点的直流参考电流 I0－1mA 和 0.1mA （1mA 用于瓷片直径 7mm 及其以上的压 敏电阻器， 0.1mA 用于瓷片直径 5mm 及其以下的压敏电阻器） 目前欧美国家已有只规定 1mA 为唯一的直流参考电流的发展的新趋势， 但日本、 中国大陆和中国台湾仍然普遍保持使用两种直 流参考电流的方法。 由于拐点电流已被人为地规定了下来，因此压敏电压 UN 一般用更直观的符号－U1mA 或 U0.1mA－表示，就更便利，目前几乎所有的压敏电阻生产商都使用 U1mA 或 U0.1mA 来表示压 敏电压。 从上面对压敏电压的定义上看， “压敏电压”一词已完全失去了其原有的拐点的含义。 这是电子测量学和标准化与压敏电压的真实含义之间相互妥协的结果。多年的实践经验表 明：IEC 定义的压敏电压与实际拐点电压虽然在数值上不相等，但在大多数情况下也比较相 近，IEC 定义的压敏电压可视为拐点电压的近似值。在判定产品的压敏电压合不合格时，我 们只可以使用 IEC 的规定的方法，而不可以使用测量实际拐点电压的方法（如晶体管图示仪测 量法） 。 通用压敏电阻器的瓷片直径有 5mm、7mm、10mm、14mm 和 20mm 五种，根据瓷片的 － 截面积可知：IEC 规定的压敏电压所对应的电流密度 J 在 10 3A/cm2 的数量级上，因此处于 压敏电阻器 V/I 特性曲线的击穿区。 压敏电压还有不同的称谓，如规定电流下的电压（IEC 的标准名词） 、breakdown voltage （国际学术界的说法） 、击穿电压（中国大陆学术界对 breakdown voltage 的中译） ，崩溃电 压（台湾学术界对 breakdown voltage 的中译） 、阈值电压（世界物理学界的说法） 、直流参