氧化鋅壓敏電阻在小電流區(qū)電流成分的分析

趙 沖，冀 敏，王 寧，李 林

（1.西京學(xué)院，西安 710123； 2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130000）

氧化鋅壓敏電阻在小電流區(qū)電流成分的分析

趙 沖1，冀 敏1，王 寧1，李 林2

（1.西京學(xué)院，西安 710123； 2.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130000）

針對氧化鋅壓敏電阻在小電流區(qū)下電流成分不唯一的問題，通過分析氧化鋅壓敏阻在不同區(qū)域的電氣特性，尤其是小電流區(qū)。采用普通電阻和壓敏電阻串聯(lián)，利用熱穩(wěn)定儀對其進行試驗，測量通過氧化鋅壓敏電阻的兩端電壓和電流，分析小電流區(qū)下電壓電流的特性及相位變化。利用理論和實踐相結(jié)合的方法，得出在小電流區(qū)中隨著電流不斷加大，電壓不斷升高，到達突變點之后電壓基本保持不變。在到達突變點之后，電壓基本保持不變，此時電路中的電流從阻性電流和容性電流矢量合成變成了完全的阻性電流，氧化鋅壓敏電阻成完全的電阻狀態(tài)。隨著氧化鋅壓敏電阻本身壓敏電壓的增大，得出容性電流和阻性電流的相位角在不斷減小的結(jié)論，這在實際應(yīng)用中有一定的應(yīng)用價值。

壓敏電阻； 容性電流； 阻性電流； 相位角

0 引言

氧化鋅壓敏電阻具有優(yōu)異的非線性特性[1-5]，常被用來對設(shè)備、線路等進行電涌保護。氧化鋅壓敏電阻在小電流區(qū)中電路電流成分的分布屬于漏電流的一個分支。現(xiàn)階段很多學(xué)者和研究人員對氧化鋅壓敏電阻電氣特性做了大量的研究[6-13]，有了詳細(xì)的分析。許毓春[14]等在氧化鋅壓敏電阻小電流區(qū)非線性特性的機理分析一文中得出小電流區(qū)非線性特性主要受氧化鋅晶粒表面耗盡層中固定電荷的濃度大小、濃度的分布情況以及晶界層面態(tài)密度分布的影響的結(jié)論?？軙蚤焄15]等在氧化鋅壓敏電阻直流小電流區(qū)域伏安特性的研究，得出對于因為沖擊作用而受到破壞的壓敏電阻，在小電流區(qū)域內(nèi)的特性和內(nèi)部發(fā)生短路故障的壓敏電阻效果相同，有較為顯著的短路的特點，而對于泄漏電流不斷增加的氧化鋅壓敏電阻，其小電流區(qū)域的主要電氣特性即伏安特性在預(yù)擊穿區(qū)和擊穿區(qū)都呈現(xiàn)出很明顯的老化的特點，但在預(yù)擊穿區(qū)老化更明顯。在小電流區(qū)中通過電流的成分方面，主要是電流中的容性、阻性成分以及兩類電流類型的相位角方面沒有做詳細(xì)的研究。

在熱穩(wěn)定儀通電的情況下，對壓敏電阻進行通電，通過波形分析壓敏電阻的電壓電流的相位差，計算得出容性、阻性的分布情況，氧化鋅壓敏電阻在小電流區(qū)中隨著電流不斷加大，電壓也在跟著電流不斷升高，在到達某一突變點之后，電壓的示數(shù)基本保持不變。在到達突變點之后，電壓基本保持不變，此時電路中的電流從阻性電流和容性電流矢量合成變成了完全的阻性電流，氧化鋅壓敏電阻成完全的電阻狀態(tài)。對于同種類型的氧化鋅壓敏電阻，在不同電容、不同壓敏電壓的條件下，所計算得出容性電流和阻性電流的相位差是不同的。在相同類型的氧化鋅壓敏電阻中，隨著氧化鋅壓敏電阻自身壓敏電壓的升高，容性電流和阻性電流的相位角在逐漸減小，這在實際應(yīng)用中有一定的參考價值。

1 理論分析

對于同一個氧化鋅非線性電阻片，它的交流和直流的電壓—電流特性有很大的不同，因此在這里分別進行討論。小電流范圍內(nèi)的交流與直流的電壓—電流特性如圖1所示，直流U－I特性曲線1較之交流U－I特性曲線2更加平滑，即具有更高的電阻非線性。另外，這兩條特性曲線交匯在某一點，當(dāng)電路的外施電壓比交匯點所相對的電壓低時，直流的泄漏電流要比交流的泄漏電流小，然而當(dāng)電路的外施電壓比交匯點對應(yīng)的電壓高時，直流的泄漏電流就比交流的泄漏電流大。交、直流的電壓—電流特征的差異，也足夠說明交直流的導(dǎo)電機理是有差別的。而當(dāng)電路的外施電壓比壓敏電壓小時，直流的導(dǎo)電機理可以總結(jié)成越過肖特基勢壘的熱電子發(fā)射，而交流的導(dǎo)電機理比直流的更為繁瑣。

圖1 小電流區(qū)的交流與直流電壓－電流特性Fig.1 AC current and DC voltage－current characteristics of small current region

2 試驗分析

2.1 試驗電路分析

試驗中用的是同一商家生產(chǎn)的3種不同類型的壓敏電阻，分別為 34S621、32S621、34S681，每種型號的壓敏電阻各取壓敏電壓不同的3個。其中3種型號及參數(shù)見表1，從表中能夠得出，每種類型的電阻所選取的自身壓敏電壓是從小到大，并且?guī)缀跖R近的每個壓敏電壓差值在10 V左右。34S621型號的壓敏電壓范圍在600～650 V，電容在1.8～2.1 nF，相位偏差隨著壓敏電壓的升高而變大；34S681型號的壓敏電壓范圍在700～750 V，其電容值在1.5～1.6 nF，相位偏差在1～2 ms；32S621型號的壓敏電壓范圍在 630～670 V，電容值在 1.2 nF～1.3 F，相位偏差也是隨著壓敏電壓的升高而變大，但基本變化不大。在接入示波器后，3種類型的壓敏電阻，其電壓電流波形的周期均為20 ms，將基本電路接入熱穩(wěn)定儀對其進行試驗。

表1 3種不同型號的壓敏電阻及參數(shù)Table 1 Three different types of varistors and parameters

圖2 小電流區(qū)放大電路Fig.2 Small current amplifier circuit

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗過程中，利用熱穩(wěn)定儀不斷對電路加大電流，觀測示波器上電流、電壓波形的變化情況并同時記錄隨電流變化，相應(yīng)地電壓變化數(shù)值，3種不同類型的壓敏電阻測得的電壓、電流數(shù)據(jù)見表2-表4。

34S621型號所測數(shù)據(jù)見表2，壓敏電壓為609 V的壓敏電阻，隨熱穩(wěn)定儀中電流的加大，電流在不停地提高，相應(yīng)的電壓值由500 V逐漸增加到750 V以后保持穩(wěn)定；壓敏電壓為628.6 V的壓敏電阻隨著電流值不斷地提高，電壓值由550 V逐漸上升到800 V，隨后基本保持不變；壓敏電壓為635.1 V的壓敏電阻也是從電流最低值逐漸增大，相應(yīng)的電壓也從600 V逐漸增加到780 V基本保持不變。34S621型號的壓敏電阻整體趨勢都是隨著電流的增大，其電壓也在逐漸增大，最后基本保持不變。

表2 34S621所測數(shù)據(jù)Table 2 34S621 measured data

34S681型號的壓敏電阻所測數(shù)據(jù)見表3，壓敏電壓為723.5 V的壓敏電阻其電流值從0隨著試驗中電流的增大也在相應(yīng)地變大，而電壓值從開始的600 V逐漸增加到900 V然后基本保持不變；壓敏電壓為726 V的壓敏電阻，電流值也從0不斷增加，相應(yīng)的電壓值從600 V增加至900 V后基本保持不變的狀態(tài)；壓敏電壓為750.4 V的壓敏電阻，同樣電流值也從一開始的0逐漸增大，而電壓值從600 V持續(xù)增加到 890 V，然后基本保持不變。綜合34S681型號的3種不同壓敏電壓的規(guī)律，也可以發(fā)現(xiàn)普遍的隨著電流的加大，電壓先是逐漸增大，最后基本保持不變。

表3 34S681所測數(shù)據(jù)Table 3 34S681 measured data

32S621型號所測數(shù)據(jù)見表4，壓敏電壓為633 V的壓敏電阻，在電路中電流在逐漸增大的同時，其電壓也從650 V逐漸增加到800 V，隨后電流小幅度增加時，電壓值處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)；壓敏電壓為650.8 V的壓敏電阻，在電流增大的同時，電壓也從700 V增加到840 V，在電流繼續(xù)增大的同時，電壓也在840 V上保持穩(wěn)定；壓敏電壓為661.2 V的壓敏電阻，同樣也是隨著電流的增大，電壓也從700 V上升到850 V，隨后基本保持不變?？傆^32S621型號的壓敏電阻，其大體規(guī)律也是隨電流的增大，電壓也持續(xù)升高，隨后基本保持不變。

表4 32S621所測數(shù)據(jù)Table 4 32S621 measured data

從表2—4看出，隨著電路中通過電流的增大，壓敏電阻兩端的電壓先是逐漸變大，到達某一突變點之后，隨后電流小幅度增加時，電壓值處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。通過這一規(guī)律可以得出，在小電流區(qū)內(nèi)，通過壓敏電阻的電流并不是單一成分的電流，而是容性電流和阻性電流的合成。在電流和電壓都逐漸增大時，電路中的電流成分是兩者共同占有；而當(dāng)電壓升高到基本保持不變時，是完全由電路中的阻性電流成分所決定，因而此時的壓敏電壓呈現(xiàn)阻性狀態(tài)。為了能夠更直觀的體現(xiàn)出小電流區(qū)的特征，從表2—4中選取了電壓從逐漸升高到不變的突變點9個，如表5所示，對其進行計算分析。

表5 各型號壓敏電阻突變點的對應(yīng)值Table 5 Varistor point of each model corresponds to the value

根據(jù)表5所取得的小電流區(qū)的突變點，讀取電壓、電流的示數(shù)，可以求出在該種情況下壓敏電阻的等效電阻|Z|：

對于計算小電流區(qū)域壓敏電阻里容性阻抗，利用公式

壓敏電阻的等效阻抗是由容性阻抗和阻性阻抗矢量合成，可以求出壓敏電阻中的阻性阻抗，利用公式

根據(jù)式（4）可求出不同型號的壓敏電阻在突變點時的等效阻抗、阻性、容性阻抗值，繼而可以求出相位角 arctan φ，計算見式（5）。

求出各組的相位角值，見表6。在表6里能夠發(fā)現(xiàn)，34S621型號的壓敏電阻，不一樣的壓敏電壓有不一樣的相位角，并且隨著壓敏電壓的增大，兩阻抗的相位角呈不斷減小的趨勢，并且電壓越大，相位角越接近。34S681型號的壓敏電阻，也存在不同的壓敏電壓對應(yīng)不同的相位角，并且隨著壓敏電壓的變大，相位角也在不斷減小，并且減小的幅度也在變小。32S621型號的壓敏電阻，在壓敏電壓升高的同時，相位角也在相應(yīng)地減小，減小幅度先是比較小，后來較快。

表6 相位角變化情況Table 6 Phase angle changes

3 結(jié)論

通過對3種不同類型的氧化鋅壓敏電阻進行熱穩(wěn)定儀實驗，分析對比各組數(shù)據(jù)可以得出以下3點結(jié)論：

1）氧化鋅壓敏電阻在小電流區(qū)中隨著電流不斷加大，電壓也隨之不斷升高，到達突變點之后，電流小幅度增加時，電壓值處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。說明在小電流區(qū)中，電流成分不僅僅只有一種，而是由阻性電流與容性電流合成而來。在到達突變點之后，電壓基本保持不變，此時電路中的電流從阻性電流和容性電流矢量合成變成了完全的阻性電流，氧化鋅壓敏電阻成完全的電阻狀態(tài)。

2）對于同種類型的氧化鋅壓敏電阻，在不同電容、不同壓敏電壓的條件下，所計算得出容性電流和阻性電流的相位差是不一樣的。

3）在相同類型的氧化鋅壓敏電阻中，隨著氧化鋅壓敏電阻自身壓敏電壓的升高，容性電流和阻性電流的相位角在逐漸減小。34S621、34S681、32S621三種型號的壓敏電阻，每種型號內(nèi)均存在這種現(xiàn)象，但是不同類型的氧化鋅壓敏電阻對比沒有明顯地規(guī)律。

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Analysis on Current Component of Varistors in a Small Current Region

ZHAO Chong1， JI Min1， WANG Ning1， LI Lin2
（1.Xijing University ， Xi′an 710123， China； 2.School of Electronic Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130000，China）

For the problem that varistor current component in a small current region is not unique，by analyzing the varistors in different regions of the electrical characteristics，especially small current region.The circuit using an ordinary resistor and varistor series，the use of heart-stable in instrument for its test， measured by both ends of the zinc oxide varistor voltage and current， and phase change analysis features low current zone voltage current.Use a combination of theory and practice of the method， zinc oxide varistor obtained in a small current region， the circuit current is capacitive currents and resistive current constitution， and in the small current region with increasing current， voltage constantly increased after reaching the discontinuity voltage remains constant.After reaching the point mutation， voltage remains constant， then the current in the circuit from the resistive current and capacitive current vector synthesized into a complete resistive current，zinc oxide varistors into complete resistance state.With its own varistor voltage increases zinc oxide varistors，current and phase angle capacitive resistive current in decreasing the conclusion that there is a certain value in practical application.

varistor； capacitive current； resistive current； phase angle

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.019

2016-10-06

趙沖 （1976—），女，講師，現(xiàn)從事控制理論與控制工程研究。