压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例

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1、压敏电阻（雷敏）过压保护的数学原理及选择实例1压敏电阻抑制雷击过电压的数学原理电路中感应到的雷击过电压可用一个冲击电压源来进行等效计算。当一个如图所示的电路遭到雷电感应时，应用冲击电压源的概念，雷击就是在原有电路中叠加一个冲击电压源VS和该高频冲击电压在线路中的等效阻抗XS（源阻抗，SourceImpedance）；由于VS>>VB，所以在分析雷击过电压时工频电压源VB可被忽略不计，如图2所示。   VB而言，设备电源线的阻抗是可以忽略不计的，但对高频率的等效雷电压冲击源VS而言，设备电源线的阻抗是不可忽略的因素，我们可以将这个阻抗看成是冲击电压源的组成部分，并称之为源阻抗XS

2、。设备电源线的阻抗与电源线的长度和电压波的频率有关。一条长约5m的电源线，其阻抗和频率的关系如图3所示   设备的电源线存在一定的电感和分布电容，一个从电源侧侵入设备的1.2/50μs雷电压波在传播到设备的入口端时会转变成RingWave波形（假设输入阻抗无穷大且无压敏电阻保护），该波形的典型频率为100kHz，如图4所示。   压敏电阻接入电路后，如果冲击电压源VS的峰值远大于压敏电压UN，压敏电阻导通并呈低阻态。由于被保护设备的输入阻抗一般都远大于与之并联的压敏电阻的导通阻抗XV，所以流过压敏电阻的冲击电流峰值IP及其压敏电阻两端的导通电压（残压）UR均不受被保护设备的影响

3、。压敏电阻导通时的等效电路如图5所示。   根据戴维南定理，冲击电压源的短路电流IS＝VS/XS。1）压敏电阻在多次雷击下的最大导通电压和最大导通电流   当过电压VS使非线性的压敏电阻导通时，压敏电阻抑制过电压的原理如图6所示。图中，loadline是一条直线，它与压敏电阻V/I特性曲线的横轴相交于IS，与纵轴相交于VS；loadline与V/I特性曲线相交于Q点，该交点就是压敏电阻导通时的工作点，即：Q点所对应的电压uR就是压敏电阻导通时的残压，所对应的电流ip就是压敏电阻导通时流过的冲击电流峰值。生产厂家提供的V/I特性曲线均为压敏电压为正偏差（＋10％）时的情况，因此我

4、们作图得到的uR就是该规格压敏电阻最大的导通电压，得到的ip也是压敏电压为正偏差（＋10％）时的导通电流，但ip并不是导通电流的最大值。事实上，最大的导通电流ipm发生在压敏电压为负偏差（－10％）的情况下，我们可以用式1近似计算出ipm的值。              （1） 由式1可知，在VS和压敏电阻规格一定时，压敏电阻中的最大的导通电流ipm与源阻抗XS呈反比，XS越大，ipm越小。那么我们如何确定XS的取值呢？   IEC61000-4-5规定了三类防雷模拟测试的标准，如表1所示。压敏电阻用户可以根据自己的整机的电源进线方式和使用环境来选定设计计算所需的VS和XS。 

5、  为了保证防雷模拟测试能够顺利通过，我们根据选定的VS和XS计算出ipm后，还要从该规格压敏电阻的脉冲电流降额曲线上查出脉冲宽度20μs、冲击次数为10的最大允许脉冲电流峰值imax（压敏电阻在连续10次雷击下的最大通流量），如果imax>ipm，则该规格的压敏电阻满足该测试条件下的通流（surge）要求。表1IEC61000-4-5规定的                         模拟雷击测试标准严酷等级开路电压VS(1.2/50μs)(kV)源阻抗XS（Ω）L－L/NL/N－PE其他一级0.521242二级121242三级221242四级421242模拟雷电波冲击1

6、0次，正反向各5次，冲击时间间隔60s   图6中的loadline是在V/I特性曲线的坐标刻度为十进制下的画法，产品样本中的V/I特性曲线一般都是用双对数坐标表示，在双对数坐标下，loadline不是一条直线，它的形状如图7所示。2）压敏电阻在多次雷击下的的平均功率   从表1可以看出：IEC61000-4-5规定的模拟雷击测试要求在连续冲击10次、每次间隔60s的条件下进行。在此条件下，由于间隔时间通常远大于雷击持续时间，所以压敏电阻的平均功率P为：（2）式2中，T为脉冲时间间隔。   用式2计算出平均功率P后，还需要在产品样本中查出该规格压敏电阻的额定功率（ratedwa

7、ttage）P0，如果P0>P，则该规格的压敏电阻满足该测试条件下的功率耗散要求。   如果P0>>P，我们就可以缩短试验时的脉冲时间间隔，最小的时间间隔Tmin为：（3）2 压敏电阻抑制操作过电压的数学原理   当过电压是由开断电感元件中的电流引起的，“浪涌电流（surgecurrent）”及其等效波形参数可用下面的方法求出。1）操作波的浪涌电流峰值和等效方波持续时间   因为电感中的电流不能突变，所以在电感被开断的时刻，压敏电阻中流过的电流与电感中的电流相等，此时刻后，压敏电阻中的电流i