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選擇合適的壓敏電阻進(jìn)行過壓電路保護(hù)
壓敏電阻，也稱為金屬氧化物壓敏電阻（MOV），用于保護(hù)敏感電路免受各種過壓條件的影響。本質(zhì)上，這些依賴電壓的非線性器件具有類似于背對背齊納二極管的電氣特性。
電壓瞬變壓敏電阻具有很高的耐用性，這對于承受反復(fù)的高峰值脈沖電流和高能浪涌瞬變至關(guān)重要。它們還提供寬電壓范圍，高能量吸收以及對電壓瞬變的快速響應(yīng)。峰值電流額定值范圍為20至70,000 A，而峰值能量額定值范圍為0.01至10,000J。
在本文中，“電壓瞬變”定義為電能的短時(shí)電涌。在變阻器打算保護(hù)的電路中，該能量可以通過受控的開關(guān)動(dòng)作以可預(yù)測的方式釋放，也可以從外部源隨機(jī)引入電路中。常見來源包括：
雷電：實(shí)際上，雷電引起的瞬變不是直接敲擊的結(jié)果。雷擊會產(chǎn)生磁場，該磁場會在附近的電纜中引起較大的瞬變。云間罷工會影響架空電纜和地下電纜。結(jié)果也是不可預(yù)測的：在1英里外發(fā)生的罷工會在電纜中產(chǎn)生70 V的電壓，而在160碼以外的地方會產(chǎn)生10kV的電壓。
? 感性負(fù)載切換：發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，繼電器和變壓器代表典型的電感瞬變源。打開或關(guān)閉感應(yīng)負(fù)載會產(chǎn)生高能量瞬變，隨著負(fù)載的增加，瞬變強(qiáng)度會增加。當(dāng)感應(yīng)負(fù)載關(guān)閉時(shí)，磁場會轉(zhuǎn)換為電能，并以雙指數(shù)瞬態(tài)的形式出現(xiàn)。根據(jù)不同的來源，這些瞬變可能高達(dá)數(shù)百伏特和數(shù)百安培，持續(xù)時(shí)間為400 ms。由于負(fù)載大小的變化，瞬變的波形，持續(xù)時(shí)間，峰值電流和峰值電壓會發(fā)生變化。估算這些變量后，電路設(shè)計(jì)人員將能夠選擇合適的抑制器類型。
? 靜電放電（ESD）：這種能量是物體之間正負(fù)電荷不平衡的結(jié)果。它的特點(diǎn)是上升時(shí)間非常快，峰值電壓和電流很高。
壓敏電阻基礎(chǔ)
壓敏電阻主要由氧化鋅（ZnO）球陣列組成，其中ZnO被少量的其他金屬氧化物（例如鉍，鈷或錳）改變。在MOV制造過程中，將這些球燒結(jié)（融合）到陶瓷半導(dǎo)體中。這產(chǎn)生了晶體的微觀結(jié)構(gòu)，使這些器件能夠在其整個(gè)體中散發(fā)很高水平的瞬態(tài)能量。燒結(jié)后，將表面金屬化，并通過焊接連接引線。
由于MOV的高能量耗散，它們可用于抑制交流電源線應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的雷電和其他高能瞬變。它們具備承受大量能量的能力，并將這種潛在的破壞性能量從位于下游的敏感電子設(shè)備轉(zhuǎn)移開來。MOV（也用于直流電路）具有多種形式（圖1）。
1.金屬氧化物壓敏電阻（MOV）具有各種尺寸和尺寸，可用于廣泛的應(yīng)用。徑向鉛盤類型是最常見的版本
多層壓敏電阻
多層壓敏電阻（MLV）解決了瞬態(tài)電壓頻譜的特定部分：電路板環(huán)境。盡管能量較低，但來自ESD，電感性負(fù)載切換甚至雷電浪涌殘余的瞬變可能會到達(dá)板上的敏感集成電路。MLV也由ZnO材料制成，但它們是由金屬電極的交織層制成的，并采用無鉛陶瓷封裝生產(chǎn)。當(dāng)承受超過其額定電壓額定值的電壓時(shí)，它們被設(shè)計(jì)為從高阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)。
MLV具有各種芯片形式的尺寸，并且能夠根據(jù)其尺寸消散大量的浪涌能量。因此，它們適合于數(shù)據(jù)線和電源瞬態(tài)抑制應(yīng)用。
申請指引
為特定的過壓保護(hù)應(yīng)用選擇合適的MOV時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員必須首先確定要保護(hù)的電路的工作參數(shù)，包括：
?浪涌事件期間的電路條件，例如峰值電壓和電流
?MOV連續(xù)工作電壓（正常情況下應(yīng)比最大系統(tǒng)電壓高20％）
?MOV必須承受的浪涌次數(shù)
?可接受的允許通過電壓受保護(hù)的電路
?電路必須遵守的任何安全標(biāo)準(zhǔn)
為了簡單起見，在本示例中，假設(shè)目標(biāo)是針對以下電路條件和要求選擇低壓直流光盤MOV：
?24V直流電路
?浪涌電流波形為8×20μs；電壓波形為1.2×50μs（這是典型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)波形）
?浪涌期間的峰值電流= 1000 A
?MOV必須能夠承受40次浪涌
?其他電路組件（控制IC等）必須達(dá)到最高承受300 V
步驟1： 要找到MOV的額定電壓，請留出20％的裕量，以考慮電壓驟升和電源容差：24 V dc×1.2 = 28.8 V dc。鑒于沒有壓敏電阻的電壓額定值正好為28.8 V，請查看數(shù)據(jù)手冊以獲取31 V dc MOV的規(guī)格。
步驟2： 要確定要使用的MOV光盤大小，請首先確定最小滿足1000-A浪涌要求的MOV系列。檢查上表建議使用20毫米MOV和31伏直流最大連續(xù)額定電壓（部件號V20E25P）作為滿足要求的可能解決方案。
步驟3：使用同一數(shù)據(jù)表中的脈沖額定曲線（圖2）來確定相對于1000A要求下的40個(gè)脈沖的脈沖能力。
2. MOV的數(shù)據(jù)表將提供脈沖速率曲線；此示例適用于20毫米MOV。
步驟4： 使用MOV數(shù)據(jù)表中的VI曲線（圖3）來驗(yàn)證泄漏電壓將小于300V上限。
3. MOV數(shù)據(jù)表還將具有電壓與電流的曲線，例如圖2中20mm器件的最大鉗位電壓曲線。
保護(hù)MOV免受熱失控
壓敏電阻在浪涌事件期間對瞬態(tài)能量的吸收會在組件內(nèi)產(chǎn)生局部加熱，最終導(dǎo)致其退化。如果不加保護(hù)，壓敏電阻的退化會增加發(fā)熱和熱失控。因此，越來越多的基于壓敏電阻的電涌保護(hù)設(shè)備提供了內(nèi)置的熱斷開功能。即使在壓敏電阻壽命終止或持續(xù)過電壓的極端情況下，它也可提供針對災(zāi)難性故障和火災(zāi)危險(xiǎn)的附加保護(hù)。
MOV額定用于特定的交流電源工作電壓。通過施加持續(xù)的異常過電壓條件超過這些限制可能會導(dǎo)致過熱并損壞MOV。
在大浪涌或多次小浪涌之后，MOV傾向于逐漸降低。這種退化導(dǎo)致MOV泄漏電流增加；反過來，即使在正常條件下（例如120V交流或240V交流工作電壓），這也會提高MOV的溫度。與MOV相鄰的熱斷路（圖4）可用于感測MOV溫度的升高，同時(shí)溫度會繼續(xù)下降到其使用壽命終止條件。此時(shí)，熱斷開將斷開電路，從電路中去除降級的MOV，從而防止?jié)撛诘臑?zāi)難性故障。
4.熱斷開可以斷開電路，從而防止MOV降級的災(zāi)難性故障
LED驅(qū)動(dòng)器和閃電
通常，大多數(shù)LED電源是恒定電流類型，通常稱為LED驅(qū)動(dòng)器。這些可以作為包含MOV的現(xiàn)成組件購買，以滿足較低級別的浪涌要求。
通常，驅(qū)動(dòng)器額定可承受1到4 kV的電涌。壓敏電阻的直徑范圍為7到14毫米，通常位于交流電源上保險(xiǎn)絲的下游。但是，為在室外安裝在裸露的電涌環(huán)境中的照明設(shè)備提供更高級別的電涌抗擾性，戶外照明OEM可能需要在LED驅(qū)動(dòng)器之前在其燈具的交流輸入線上添加電涌保護(hù)設(shè)備（SPD）。
MOV設(shè)計(jì)示例：工業(yè)電機(jī)
交流電動(dòng)機(jī)保護(hù)的一個(gè)方面是電動(dòng)機(jī)本身的耐浪涌能力。NEMA電動(dòng)發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)MG-1的20.36.4段將電涌的單位值定義為：u×V L-L（或0.816×V L-L），其中VL-L是交流電源系統(tǒng)的線電壓。
對于0.1到0.2μs的瞬態(tài)上升時(shí)間，在定子繞組上要求浪涌能力的單位值是兩倍。上升時(shí)間達(dá)到1.2μs以上時(shí)，規(guī)定為單位值的4.5倍。對于閃電等外部瞬變，這相當(dāng)于在250V高壓條件下對于230V電動(dòng)機(jī)（滿載電流= 12A）的918 V PEAK的浪涌電壓能力。（雷電浪涌可能超過這些值，因此定子繞組還需要一個(gè)抑制元件來進(jìn)行保護(hù)。）
工作溫度是另一個(gè)考慮因素。假定該應(yīng)用的環(huán)境工作溫度范圍為0至+ 70°C。這將在MOV的-40至+ 85°C額定值范圍內(nèi)，并且不需要在此溫度范圍內(nèi)降低浪涌電流或能量的額定值。考慮到高線路容限，可能需要275V交流額定MOV在此示例中被選中。使用2 hp單相中型電動(dòng)機(jī)，MOV所需的浪涌電流額定值將由電動(dòng)機(jī)電源處感應(yīng)的峰值電流確定。假設(shè)電機(jī)的維修地點(diǎn)和2Ω的線路阻抗，則確定可能產(chǎn)生3 kA的雷電浪涌。
在這種情況下，一個(gè)數(shù)據(jù)表指示在900 V時(shí)最大鉗位電壓為3 kA，低于建議的918-V定子繞組耐壓能力。如果電動(dòng)機(jī)的使用壽命估計(jì)為20年，并指定為在使用期內(nèi)能夠承受80次雷電瞬變，則數(shù)據(jù)表脈沖額定值曲線將驗(yàn)證100次以上電涌的額定值。