淺析壓敏電阻的工作原理及V-I特性

在電子電路的保護(hù)元件中，壓敏電阻（Varistor）是一種關(guān)鍵的非線性電阻器，它能夠保護(hù)電路免受瞬間過(guò)電壓的損害。壓敏電阻的工作原理和V-I（電壓-電流）特性是其設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)景選擇的重要依據(jù)。

首先，讓我們了解壓敏電阻的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。壓敏電阻通常由半導(dǎo)體材料制成，這些材料具有非線性的電壓-電流特性。在這種材料中，摻雜了微量的金屬氧化物，如鋅氧化物、鈣氧化物等，這些摻雜物使得壓敏電阻在正常工作電壓下表現(xiàn)出高阻態(tài)，而在遭受過(guò)電壓時(shí)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)。這種轉(zhuǎn)變是由于摻雜物的能級(jí)在電場(chǎng)作用下發(fā)生變化，從而改變了材料的導(dǎo)電性。

壓敏電阻的核心功能在于其對(duì)電壓的敏感響應(yīng)。在正常工作電壓下，壓敏電阻呈現(xiàn)出高阻值，對(duì)電路的影響微乎其微。然而，當(dāng)電路中的電壓超過(guò)壓敏電阻的閾值時(shí)，其阻值會(huì)急劇下降，從而將過(guò)電壓的能量吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，保護(hù)電路中的其他元件不受損害。這種非線性響應(yīng)特性使得壓敏電阻成為理想的過(guò)電壓保護(hù)元件。

當(dāng)加在壓敏電阻上的電壓低于它的閾值時(shí)，流過(guò)它的電流極小，它相當(dāng)于一個(gè)阻值無(wú)窮大的電阻。也就是說(shuō)，當(dāng)加在它上面的電壓低于其閾值時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)。

當(dāng)加在壓敏電阻上的電壓超過(guò)它的閾值時(shí)，流過(guò)它的電流激增，它相當(dāng)于阻值無(wú)窮小的電阻。也就是說(shuō)，當(dāng)加在它上面的電壓高于其閾值時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)閉合狀態(tài)的開(kāi)關(guān)。

壓敏電阻的V-I特性

當(dāng)壓敏電阻器遭受瞬時(shí)過(guò)電壓或是浪涌時(shí), 壓敏電阻器會(huì)從穩(wěn)定狀態(tài)（近似開(kāi)路） 轉(zhuǎn)向限壓狀態(tài)（高導(dǎo)電狀態(tài)）。

壓敏電阻典型V-I特性曲線

1）漏電流區(qū)：又稱為預(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)。

2）工作區(qū)：又稱為 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)異的非線性電導(dǎo)特性，即：I=C*V^α

其中I為通過(guò)壓敏電阻器的電流，C為與配方和工藝有關(guān)的常數(shù)，V為壓敏電阻器兩端的電壓，α為非線性系數(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。

3）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性電導(dǎo)特性，即：I=V/Rg

上升區(qū)電流與電壓幾乎呈線性關(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，如帶引線式和專用電極產(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。