壓敏電阻過壓保護(hù)的數(shù)學(xué)原理及選擇實(shí)例

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1、壓敏電阻（雷敏）過壓保護(hù)的數(shù)學(xué)原理及選擇實(shí)例1壓敏電阻抑制雷擊過電壓的數(shù)學(xué)原理電路中感應(yīng)到的雷擊過電壓可用一個(gè)沖擊電壓源來進(jìn)行等效計(jì)算。當(dāng)一個(gè)如圖所示的電路遭到雷電感應(yīng)時(shí)，應(yīng)用沖擊電壓源的概念，雷擊就是在原有電路中疊加一個(gè)沖擊電壓源VS和該高頻沖擊電壓在線路中的等效阻抗XS（源阻抗，SourceImpedance）；由于VS>>VB，所以在分析雷擊過電壓時(shí)工頻電壓源VB可被忽略不計(jì)，如圖2所示。???VB而言，設(shè)備電源線的阻抗是可以忽略不計(jì)的，但對(duì)高頻率的等效雷電壓沖擊源VS而言，設(shè)備電源線的阻抗是不可忽略的因素，我們可以將這個(gè)阻抗看成是沖擊電壓源的組成部分，并稱之為源阻抗XS

2、。設(shè)備電源線的阻抗與電源線的長度和電壓波的頻率有關(guān)。一條長約5m的電源線，其阻抗和頻率的關(guān)系如圖3所示???設(shè)備的電源線存在一定的電感和分布電容，一個(gè)從電源側(cè)侵入設(shè)備的1.2/50μs雷電壓波在傳播到設(shè)備的入口端時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變成RingWave波形（假設(shè)輸入阻抗無窮大且無壓敏電阻保護(hù)），該波形的典型頻率為100kHz，如圖4所示。???壓敏電阻接入電路后，如果沖擊電壓源VS的峰值遠(yuǎn)大于壓敏電壓UN，壓敏電阻導(dǎo)通并呈低阻態(tài)。由于被保護(hù)設(shè)備的輸入阻抗一般都遠(yuǎn)大于與之并聯(lián)的壓敏電阻的導(dǎo)通阻抗XV，所以流過壓敏電阻的沖擊電流峰值IP及其壓敏電阻兩端的導(dǎo)通電壓（殘壓）UR均不受被保護(hù)設(shè)備的影響

3、。壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的等效電路如圖5所示。???根據(jù)戴維南定理，沖擊電壓源的短路電流IS＝VS/XS。1）壓敏電阻在多次雷擊下的最大導(dǎo)通電壓和最大導(dǎo)通電流???當(dāng)過電壓VS使非線性的壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)，壓敏電阻抑制過電壓的原理如圖6所示。圖中，loadline是一條直線，它與壓敏電阻V/I特性曲線的橫軸相交于IS，與縱軸相交于VS；loadline與V/I特性曲線相交于Q點(diǎn)，該交點(diǎn)就是壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的工作點(diǎn)，即：Q點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓uR就是壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)的殘壓，所對(duì)應(yīng)的電流ip就是壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)流過的沖擊電流峰值。生產(chǎn)廠家提供的V/I特性曲線均為壓敏電壓為正偏差（＋10％）時(shí)的情況，因此我

4、們作圖得到的uR就是該規(guī)格壓敏電阻最大的導(dǎo)通電壓，得到的ip也是壓敏電壓為正偏差（＋10％）時(shí)的導(dǎo)通電流，但ip并不是導(dǎo)通電流的最大值。事實(shí)上，最大的導(dǎo)通電流ipm發(fā)生在壓敏電壓為負(fù)偏差（－10％）的情況下，我們可以用式1近似計(jì)算出ipm的值。??????????????（1）?由式1可知，在VS和壓敏電阻規(guī)格一定時(shí)，壓敏電阻中的最大的導(dǎo)通電流ipm與源阻抗XS呈反比，XS越大，ipm越小。那么我們?nèi)绾未_定XS的取值呢？???IEC61000-4-5規(guī)定了三類防雷模擬測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。壓敏電阻用戶可以根據(jù)自己的整機(jī)的電源進(jìn)線方式和使用環(huán)境來選定設(shè)計(jì)計(jì)算所需的VS和XS。?

5、??為了保證防雷模擬測(cè)試能夠順利通過，我們根據(jù)選定的VS和XS計(jì)算出ipm后，還要從該規(guī)格壓敏電阻的脈沖電流降額曲線上查出脈沖寬度20μs、沖擊次數(shù)為10的最大允許脈沖電流峰值imax（壓敏電阻在連續(xù)10次雷擊下的最大通流量），如果imax>ipm，則該規(guī)格的壓敏電阻滿足該測(cè)試條件下的通流（surge）要求。表1IEC61000-4-5規(guī)定的?????????????????????????模擬雷擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)酷等級(jí)開路電壓VS(1.2/50μs)(kV)源阻抗XS（Ω）L－L/NL/N－PE其他一級(jí)0.521242二級(jí)121242三級(jí)221242四級(jí)421242模擬雷電波沖擊1

6、0次，正反向各5次，沖擊時(shí)間間隔60s???圖6中的loadline是在V/I特性曲線的坐標(biāo)刻度為十進(jìn)制下的畫法，產(chǎn)品樣本中的V/I特性曲線一般都是用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，loadline不是一條直線，它的形狀如圖7所示。2）壓敏電阻在多次雷擊下的的平均功率???從表1可以看出：IEC61000-4-5規(guī)定的模擬雷擊測(cè)試要求在連續(xù)沖擊10次、每次間隔60s的條件下進(jìn)行。在此條件下，由于間隔時(shí)間通常遠(yuǎn)大于雷擊持續(xù)時(shí)間，所以壓敏電阻的平均功率P為：（2）式2中，T為脈沖時(shí)間間隔。???用式2計(jì)算出平均功率P后，還需要在產(chǎn)品樣本中查出該規(guī)格壓敏電阻的額定功率（ratedwa

7、ttage）P0，如果P0>P，則該規(guī)格的壓敏電阻滿足該測(cè)試條件下的功率耗散要求。???如果P0>>P，我們就可以縮短試驗(yàn)時(shí)的脈沖時(shí)間間隔，最小的時(shí)間間隔Tmin為：（3）2?壓敏電阻抑制操作過電壓的數(shù)學(xué)原理???當(dāng)過電壓是由開斷電感元件中的電流引起的，“浪涌電流（surgecurrent）”及其等效波形參數(shù)可用下面的方法求出。1）操作波的浪涌電流峰值和等效方波持續(xù)時(shí)間???因?yàn)殡姼兄械碾娏鞑荒芡蛔?，所以在電感被開斷的時(shí)刻，壓敏電阻中流過的電流與電感中的電流相等，此時(shí)刻后，壓敏電阻中的電流i