浅析压敏电阻的工作原理及V-I特性

在电子电路的保护元件中，压敏电阻（Varistor）是一种关键的非线性电阻器，它能够保护电路免受瞬间过电压的损害。压敏电阻的工作原理和V-I（电压-电流）特性是其设计和应用场景选择的重要依据。

首先，让我们了解压敏电阻的基本结构和工作原理。压敏电阻通常由半导体材料制成，这些材料具有非线性的电压-电流特性。在这种材料中，掺杂了微量的金属氧化物，如锌氧化物、钙氧化物等，这些掺杂物使得压敏电阻在正常工作电压下表现出高阻态，而在遭受过电压时迅速转变为低阻态。这种转变是由于掺杂物的能级在电场作用下发生变化，从而改变了材料的导电性。

压敏电阻的核心功能在于其对电压的敏感响应。在正常工作电压下，压敏电阻呈现出高阻值，对电路的影响微乎其微。然而，当电路中的电压超过压敏电阻的阈值时，其阻值会急剧下降，从而将过电压的能量吸收并转化为热量，保护电路中的其他元件不受损害。这种非线性响应特性使得压敏电阻成为理想的过电压保护元件。

当加在压敏电阻上的电压低于它的阈值时，流过它的电流极小，它相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说，当加在它上面的电压低于其阈值时，它相当于一个断开状态的开关。

当加在压敏电阻上的电压超过它的阈值时，流过它的电流激增，它相当于阻值无穷小的电阻。也就是说，当加在它上面的电压高于其阈值时，它相当于一个闭合状态的开关。

压敏电阻的V-I特性

当压敏电阻器遭受瞬时过电压或是浪涌时, 压敏电阻器会从稳定状态（近似开路） 转向限压状态（高导电状态）。

压敏电阻典型V-I特性曲线

1）漏电流区：又称为预击穿区，在此区域内，施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压，其导电属于热激发电子电导机理。因此，压敏电阻器相当于一个10MΩ以上的绝缘电阻(Rb远大于Rg)，这时通过压敏电阻器的阻性电流仅为微安级，可看作为开路，该区域是电路正常运行时压敏电阻器所处的状态。

2）工作区：又称为 击穿区：压敏电阻器两端施加一大于压敏电压的过电压时，其导电属于隧道击穿电子电导机理(Rb与Rg相当)，其伏安特性呈优异的非线性电导特性，即：I=C*V^α

其中I为通过压敏电阻器的电流，C为与配方和工艺有关的常数，V为压敏电阻器两端的电压，α为非线性系数，一般大于30 ，由上式可见，在击穿区，压敏电阻器端电压的微小变化就可引起电流的急剧变化，压敏电阻器正是用这一特性来抑制过电压幅值和吸收或对地释放过电压引起的浪涌能量。

3）上升区：当过电压很大，使得通过压敏电阻器的电流大于约100A/cm2时，压敏电阻器的伏安特性主要由晶粒电阻的伏安特性来决定。此时压敏电阻器的伏安特性呈线性电导特性，即：I=V/Rg

上升区电流与电压几乎呈线性关系，压敏电阻器在该区域已经劣化，失去了其抑制过电压、吸收或释放浪涌的能量等特性。

根据压敏电阻器的导电机理，其对过电压的响应速度很快，如带引线式和专用电极产品，一般响应时间小于25纳秒。因此只要选择和使用得当，压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压有优良的抑制作用，从而达到保护电路中其它元件免遭过电压破坏的目的。