氧化锌压敏电阻在小电流区电流成分的分析

赵 冲，冀 敏，王 宁，李 林

（1.西京学院，西安 710123； 2.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130000）

氧化锌压敏电阻在小电流区电流成分的分析

赵 冲1，冀 敏1，王 宁1，李 林2

（1.西京学院，西安 710123； 2.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130000）

针对氧化锌压敏电阻在小电流区下电流成分不唯一的问题，通过分析氧化锌压敏阻在不同区域的电气特性，尤其是小电流区。采用普通电阻和压敏电阻串联，利用热稳定仪对其进行试验，测量通过氧化锌压敏电阻的两端电压和电流，分析小电流区下电压电流的特性及相位变化。利用理论和实践相结合的方法，得出在小电流区中随着电流不断加大，电压不断升高，到达突变点之后电压基本保持不变。在到达突变点之后，电压基本保持不变，此时电路中的电流从阻性电流和容性电流矢量合成变成了完全的阻性电流，氧化锌压敏电阻成完全的电阻状态。随着氧化锌压敏电阻本身压敏电压的增大，得出容性电流和阻性电流的相位角在不断减小的结论，这在实际应用中有一定的应用价值。

压敏电阻； 容性电流； 阻性电流； 相位角

0 引言

氧化锌压敏电阻具有优异的非线性特性[1-5]，常被用来对设备、线路等进行电涌保护。氧化锌压敏电阻在小电流区中电路电流成分的分布属于漏电流的一个分支。现阶段很多学者和研究人员对氧化锌压敏电阻电气特性做了大量的研究[6-13]，有了详细的分析。许毓春[14]等在氧化锌压敏电阻小电流区非线性特性的机理分析一文中得出小电流区非线性特性主要受氧化锌晶粒表面耗尽层中固定电荷的浓度大小、浓度的分布情况以及晶界层面态密度分布的影响的结论。寇晓阔[15]等在氧化锌压敏电阻直流小电流区域伏安特性的研究，得出对于因为冲击作用而受到破坏的压敏电阻，在小电流区域内的特性和内部发生短路故障的压敏电阻效果相同，有较为显著的短路的特点，而对于泄漏电流不断增加的氧化锌压敏电阻，其小电流区域的主要电气特性即伏安特性在预击穿区和击穿区都呈现出很明显的老化的特点，但在预击穿区老化更明显。在小电流区中通过电流的成分方面，主要是电流中的容性、阻性成分以及两类电流类型的相位角方面没有做详细的研究。

在热稳定仪通电的情况下，对压敏电阻进行通电，通过波形分析压敏电阻的电压电流的相位差，计算得出容性、阻性的分布情况，氧化锌压敏电阻在小电流区中随着电流不断加大，电压也在跟着电流不断升高，在到达某一突变点之后，电压的示数基本保持不变。在到达突变点之后，电压基本保持不变，此时电路中的电流从阻性电流和容性电流矢量合成变成了完全的阻性电流，氧化锌压敏电阻成完全的电阻状态。对于同种类型的氧化锌压敏电阻，在不同电容、不同压敏电压的条件下，所计算得出容性电流和阻性电流的相位差是不同的。在相同类型的氧化锌压敏电阻中，随着氧化锌压敏电阻自身压敏电压的升高，容性电流和阻性电流的相位角在逐渐减小，这在实际应用中有一定的参考价值。

1 理论分析

对于同一个氧化锌非线性电阻片，它的交流和直流的电压—电流特性有很大的不同，因此在这里分别进行讨论。小电流范围内的交流与直流的电压—电流特性如图1所示，直流U－I特性曲线1较之交流U－I特性曲线2更加平滑，即具有更高的电阻非线性。另外，这两条特性曲线交汇在某一点，当电路的外施电压比交汇点所相对的电压低时，直流的泄漏电流要比交流的泄漏电流小，然而当电路的外施电压比交汇点对应的电压高时，直流的泄漏电流就比交流的泄漏电流大。交、直流的电压—电流特征的差异，也足够说明交直流的导电机理是有差别的。而当电路的外施电压比压敏电压小时，直流的导电机理可以总结成越过肖特基势垒的热电子发射，而交流的导电机理比直流的更为繁琐。

图1 小电流区的交流与直流电压－电流特性Fig.1 AC current and DC voltage－current characteristics of small current region

2 试验分析

2.1 试验电路分析

试验中用的是同一商家生产的3种不同类型的压敏电阻，分别为 34S621、32S621、34S681，每种型号的压敏电阻各取压敏电压不同的3个。其中3种型号及参数见表1，从表中能够得出，每种类型的电阻所选取的自身压敏电压是从小到大，并且几乎临近的每个压敏电压差值在10 V左右。34S621型号的压敏电压范围在600～650 V，电容在1.8～2.1 nF，相位偏差随着压敏电压的升高而变大；34S681型号的压敏电压范围在700～750 V，其电容值在1.5～1.6 nF，相位偏差在1～2 ms；32S621型号的压敏电压范围在 630～670 V，电容值在 1.2 nF～1.3 F，相位偏差也是随着压敏电压的升高而变大，但基本变化不大。在接入示波器后，3种类型的压敏电阻，其电压电流波形的周期均为20 ms，将基本电路接入热稳定仪对其进行试验。

表1 3种不同型号的压敏电阻及参数Table 1 Three different types of varistors and parameters

图2 小电流区放大电路Fig.2 Small current amplifier circuit

2.2 试验数据分析

试验过程中，利用热稳定仪不断对电路加大电流，观测示波器上电流、电压波形的变化情况并同时记录随电流变化，相应地电压变化数值，3种不同类型的压敏电阻测得的电压、电流数据见表2-表4。

34S621型号所测数据见表2，压敏电压为609 V的压敏电阻，随热稳定仪中电流的加大，电流在不停地提高，相应的电压值由500 V逐渐增加到750 V以后保持稳定；压敏电压为628.6 V的压敏电阻随着电流值不断地提高，电压值由550 V逐渐上升到800 V，随后基本保持不变；压敏电压为635.1 V的压敏电阻也是从电流最低值逐渐增大，相应的电压也从600 V逐渐增加到780 V基本保持不变。34S621型号的压敏电阻整体趋势都是随着电流的增大，其电压也在逐渐增大，最后基本保持不变。

表2 34S621所测数据Table 2 34S621 measured data

34S681型号的压敏电阻所测数据见表3，压敏电压为723.5 V的压敏电阻其电流值从0随着试验中电流的增大也在相应地变大，而电压值从开始的600 V逐渐增加到900 V然后基本保持不变；压敏电压为726 V的压敏电阻，电流值也从0不断增加，相应的电压值从600 V增加至900 V后基本保持不变的状态；压敏电压为750.4 V的压敏电阻，同样电流值也从一开始的0逐渐增大，而电压值从600 V持续增加到 890 V，然后基本保持不变。综合34S681型号的3种不同压敏电压的规律，也可以发现普遍的随着电流的加大，电压先是逐渐增大，最后基本保持不变。

表3 34S681所测数据Table 3 34S681 measured data

32S621型号所测数据见表4，压敏电压为633 V的压敏电阻，在电路中电流在逐渐增大的同时，其电压也从650 V逐渐增加到800 V，随后电流小幅度增加时，电压值处于一个稳定的状态；压敏电压为650.8 V的压敏电阻，在电流增大的同时，电压也从700 V增加到840 V，在电流继续增大的同时，电压也在840 V上保持稳定；压敏电压为661.2 V的压敏电阻，同样也是随着电流的增大，电压也从700 V上升到850 V，随后基本保持不变。总观32S621型号的压敏电阻，其大体规律也是随电流的增大，电压也持续升高，随后基本保持不变。

表4 32S621所测数据Table 4 32S621 measured data

从表2—4看出，随着电路中通过电流的增大，压敏电阻两端的电压先是逐渐变大，到达某一突变点之后，随后电流小幅度增加时，电压值处于一个稳定的状态。通过这一规律可以得出，在小电流区内，通过压敏电阻的电流并不是单一成分的电流，而是容性电流和阻性电流的合成。在电流和电压都逐渐增大时，电路中的电流成分是两者共同占有；而当电压升高到基本保持不变时，是完全由电路中的阻性电流成分所决定，因而此时的压敏电压呈现阻性状态。为了能够更直观的体现出小电流区的特征，从表2—4中选取了电压从逐渐升高到不变的突变点9个，如表5所示，对其进行计算分析。

表5 各型号压敏电阻突变点的对应值Table 5 Varistor point of each model corresponds to the value

根据表5所取得的小电流区的突变点，读取电压、电流的示数，可以求出在该种情况下压敏电阻的等效电阻|Z|：

对于计算小电流区域压敏电阻里容性阻抗，利用公式

压敏电阻的等效阻抗是由容性阻抗和阻性阻抗矢量合成，可以求出压敏电阻中的阻性阻抗，利用公式

根据式（4）可求出不同型号的压敏电阻在突变点时的等效阻抗、阻性、容性阻抗值，继而可以求出相位角 arctan φ，计算见式（5）。

求出各组的相位角值，见表6。在表6里能够发现，34S621型号的压敏电阻，不一样的压敏电压有不一样的相位角，并且随着压敏电压的增大，两阻抗的相位角呈不断减小的趋势，并且电压越大，相位角越接近。34S681型号的压敏电阻，也存在不同的压敏电压对应不同的相位角，并且随着压敏电压的变大，相位角也在不断减小，并且减小的幅度也在变小。32S621型号的压敏电阻，在压敏电压升高的同时，相位角也在相应地减小，减小幅度先是比较小，后来较快。

表6 相位角变化情况Table 6 Phase angle changes

3 结论

通过对3种不同类型的氧化锌压敏电阻进行热稳定仪实验，分析对比各组数据可以得出以下3点结论：

1）氧化锌压敏电阻在小电流区中随着电流不断加大，电压也随之不断升高，到达突变点之后，电流小幅度增加时，电压值处于一个稳定的状态。说明在小电流区中，电流成分不仅仅只有一种，而是由阻性电流与容性电流合成而来。在到达突变点之后，电压基本保持不变，此时电路中的电流从阻性电流和容性电流矢量合成变成了完全的阻性电流，氧化锌压敏电阻成完全的电阻状态。

2）对于同种类型的氧化锌压敏电阻，在不同电容、不同压敏电压的条件下，所计算得出容性电流和阻性电流的相位差是不一样的。

3）在相同类型的氧化锌压敏电阻中，随着氧化锌压敏电阻自身压敏电压的升高，容性电流和阻性电流的相位角在逐渐减小。34S621、34S681、32S621三种型号的压敏电阻，每种型号内均存在这种现象，但是不同类型的氧化锌压敏电阻对比没有明显地规律。

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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

赵冲 （1976—），女，讲师，现从事控制理论与控制工程研究。