光学器件
光学器件
大家都知道压敏电阻是防雷的一种器件，因此在说压敏电阻之前，有必要先来聊聊雷电。
关于雷电，人们印象最深刻的就是富兰克林的风筝引雷试验（如图1），在该试验中富兰克林不仅成功观察到了电火花，而且还被电给击昏倒。同样是风筝实验，俄罗斯物理学家里奇曼在1753年不幸丢了性命。由此可以看出，雷电能量巨大且极其危险。
图1： 富兰克林风筝引雷实验
言归正传，雷击造成的过电压可分为直接雷击过电压和感应雷击过电压，直击雷造成的影响是巨大的，一般的设备都无法在直击雷下“全身而退”，所以大部分应对直击雷的方法都是避雷针引雷法，这里就不详述了。本文我们主要讨论的是以直击雷为圆心，周围数公里之内的感应雷击过电压的防护，如图2所示。
图2： 感应雷击过电压
按照国家推荐标准GB/T 17626.5的规定，过电压试验等级根据安装环境分为6类（详见标准）。对于电力线取电的低压配电产品，因其安装在配电箱中，属于入户的第一级，可归为第4类，规定的线对线过电压为4kV，线对地为5kV。如果这么大的电压直接作用到产品内部的元器件上，一般的器件均会被电压击穿。为防止这种现象的发生，我们就需要电压抑制的器具——压敏电阻（电压抑制器件还有气体放电管GDT和瞬态电压抑制二极管TVS等，此文对它们的优缺点不作过多论述）。压敏电阻的选择应遵循“起保护时，残压越小越好，不起保护时，漏电流越小越好”的原则，总结起来就是 “过压时压敏电阻起限压保护且不损坏，不过压时压敏电阻不起任何影响且不损坏”。或用一句更经典的话就是“养兵千日，用兵一时”。没有最好的选择，只有最适合的选择。本文想要通过具体案例来说明压敏电阻选择不当的严重后果。
我们公司曾经有一款低压配电产品在现场严重烧毁（如图3所示）将产品“解剖”分析后，发现烧毁的源头是其中的一个欠压保护附件。为了找到问题的根源我们将故障重新进行了模拟实验，最终确定是由于欠压保护附件里面的压敏电阻在过压情况下引起的过电流现象，从而造成前端限流电阻烧毁，输入端简化电路如图4所示。
图3：案例现场
图4：输入端简化电路
起初，我们选择的压敏电阻是Littelfuse额定电压250V的V14E250P，误差10%，器件额定电压的范围为225V~275V，然而电网电压是230V，考虑10%的波动后电压范围是217V~253V，如图5。在最坏情况时，电网电压正偏10%，器件负偏10%，两个电压落在了一个区域，这个区域就成了危险区域，压敏电阻很有可能因为长时间过压造成的热累积而加速衰减，流过压敏电阻的电流越来越大，两个水泥电阻的功耗也越来越大，最终烧毁。
图5：电网电压范围和器件电压范围
因此，我们得选择额定电压大于281V的压敏电阻，才能保证长期的可靠工作。鉴于此，我们的优化方案就是将V14E250P换成同系列的V14E300P。
图6：电网电压范围和器件电压范围
对于更换后的产品，我们做了过电压的试验，在电网电压的波动范围最大电压下，连续工作一周也没有出现烧毁的类似现象，说明以上的分析是完全正确的。对于可能造成的浪涌电压残压增大的负面影响，我们也作了理论和实验分析，结果都是正常的。最终，简单的更换原器件，就大大提高了产品的可靠性。
此案例是压敏电阻在不该起保护时，流通电流太大，影响了其它器件正常工作造成的。还有些案例是模拟雷击试验时，压敏电阻由于选型不当，没能限制电压，起不到保护作用，造成受保护器件损坏。
压敏电阻的选型虽然有很多经验公式，且大部分情况下不会有太大问题，但并不代表它的选型就一定简单。严格来讲，压敏电阻的片径、额定电压以及其前端限流电阻都需要经过严格的反复迭代计算才能得到一组比较合适的值。鉴于力特（Littelfuse）官网上有非常详细的选型计算，所以我就不细述了。这里的例子只是从反面告诉大家，压敏电阻虽不起眼，但是如果不认真选型，很可能造成雷雨天产品损坏，或者正常条件下突然冒烟烧毁，最终大大降低产品的可靠性，后果是非常严重的。随着智能电器越来越多，且长时间挂在电力线上，因此选择压敏电阻时应认真谨慎。