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1、壓敏電阻選用的基本知識(shí)什么是壓敏電阻器及其分類(lèi)與參數(shù)? 壓敏電阻器簡(jiǎn)稱(chēng)VSR,是一種對(duì)電壓敏感的非線性過(guò)電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。它在電路中用文字符號(hào)“RV”或“R”表示,圖1-21是其電路圖形符號(hào)。 (一)壓敏電阻器的種類(lèi)壓敏電阻器可以按結(jié)構(gòu)、制造過(guò)程、使用材料和伏安特性分類(lèi)。1按結(jié)構(gòu)分類(lèi) 壓敏電阻器按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)型壓敏電阻器、體型壓敏電阻器、單顆粒層壓敏電阻器和薄膜壓敏電阻器等。結(jié)型壓敏電阻器是因?yàn)殡娮梵w與金屬電極之間的特殊接觸,才具有了非線性特性,而體型壓敏電阻器的非線性是由電阻體本身的半導(dǎo)體性質(zhì)決定的。2按使用材料分類(lèi) 壓敏電阻器按其使用材料的不同可分為氧化鋅壓敏電阻器、碳化硅壓敏電阻器、

2、金屬氧化物壓敏電阻器、鍺(硅)壓敏電阻器、鈦酸鋇壓敏電阻器等多種。3按其伏安特性分類(lèi) 壓敏電阻器按其伏安特性可分為對(duì)稱(chēng)型壓敏電阻器(無(wú)極性)和非對(duì)稱(chēng)型壓敏電阻器(有極性)。(二)壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性與作用1壓敏電阻器的結(jié)構(gòu)特性 壓敏電阻器與普通電阻器不同,它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的非線性特性制成的。圖1-22是壓敏電阻器外形,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-23所示。普通電阻器遵守歐姆定律,而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱(chēng)額定電壓值時(shí),壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大,內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱(chēng)額定電壓時(shí),壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通,并由高阻狀態(tài)變?yōu)?/p>

3、低阻狀態(tài),工作電流也急劇增大。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱(chēng)額定電壓時(shí),壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓超過(guò)其最大限制電壓時(shí),壓敏電阻器將完全擊穿損壞,無(wú)法再自行恢復(fù)。2壓敏電阻器的作用與應(yīng)用 壓敏電阻器廣泛地應(yīng)用在家用電器及其它電子產(chǎn)品中,起過(guò)電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等作用。圖1-24是壓敏電阻器的典型應(yīng)用電路。(三)壓敏電阻器的主要參數(shù)壓敏電阻器的主要參數(shù)有標(biāo)稱(chēng)電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)、電壓非線性系數(shù)、絕緣電阻、靜態(tài)電容等。1壓敏電壓: MYG05K規(guī)定通過(guò)的電流為0.

4、1mA,MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標(biāo)稱(chēng)電壓是指通過(guò)1mA直流電流時(shí),壓敏電阻器兩端的電壓值。2最大允許電壓(最大限制電壓):此電壓分交流和直流兩種情況,如為交流,則指的是該壓敏電阻所允許加的交流電壓的有效值,以ACrms表示,所以在該交流電壓有效值作用下應(yīng)該選用具有該最大允許電壓的壓敏電阻,實(shí)際上V1mA與ACrms間彼此是相互關(guān)聯(lián)的,知道了前者也就知道了后者,不過(guò)ACrms對(duì)使用者更直接,使用者可根據(jù)電路工作電壓,可以直接按ACrms來(lái)選取合適的壓敏電阻。在交流回路中,應(yīng)當(dāng)有:min(U1mA) (2.22.5)Uac,式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上

5、述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí),有適當(dāng)?shù)陌踩6?。?duì)直流而言在直流回路中,應(yīng)當(dāng)有:min(U1mA) (1.62)Udc,式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中,應(yīng)當(dāng)有:min(U1mA) (2.22.5)Uac,式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí),有適當(dāng)?shù)陌踩6?。在信?hào)回路中時(shí),應(yīng)當(dāng)有:min(U1mA)(1.21.5)Umax,式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)定。一般而言,壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。3通流容量: 通流容量也稱(chēng)通

6、流量,是指在規(guī)定的條件(以規(guī)定的時(shí)間間隔和次數(shù),施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流)下,允許通過(guò)壓敏電阻器上的最大脈沖(峰值)電流值。一般過(guò)壓是一個(gè)或一系列的脈沖波。實(shí)驗(yàn)壓敏電阻所用的沖擊波有兩種,一種是為8/20s波,即通常所說(shuō)的波頭為8s波尾時(shí)間為20s的脈沖波,另外一種為2ms的方波,如下圖所示: 4最大限制電壓: 最大限制電壓是指壓敏電阻器兩端所能承受的最高電壓值,它表示在規(guī)定的沖擊電流Ip通過(guò)壓敏電阻時(shí)次兩端所產(chǎn)生的電壓此電壓又稱(chēng)為殘壓,所以選用的壓敏電阻的殘壓一定要小于被保護(hù)物的耐壓水平Vo,否則便達(dá)不到可靠的保護(hù)目的,通常沖擊電流Ip值較大,例如2.5A或者10A,因而壓敏電阻對(duì)應(yīng)的最大限制電壓

7、Vc相當(dāng)大,例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A時(shí))。5最大能量(能量耐量): 壓敏電阻所吸收的能量通常按下式計(jì)算W=kIVT(J)其中I流過(guò)壓敏電阻的峰值 V在電流I流過(guò)壓敏電阻時(shí)壓敏電阻兩端的電壓 T電流持續(xù)時(shí)間 k電流I的波形系數(shù)對(duì): 2ms的方波 k=1 8/20s波 k=1.4 10/1000s k=1.4 壓敏電阻對(duì)2ms方波,吸收能量可達(dá)330J每平方厘米;對(duì)8/20s波,電流密度可達(dá)2000A每立方厘米,這表明他的通流能力及能量耐量都是很大的 一般來(lái)說(shuō)壓敏電阻的片徑越大,它的能量耐量越大,耐沖擊電流也越大,選用壓敏電阻時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)常遇到能量較小、但出現(xiàn)頻率次數(shù)較高

8、的過(guò)電壓,如幾十秒、一兩分鐘出現(xiàn)一次或多次的過(guò)電壓,這時(shí)就應(yīng)該考慮壓敏電阻所能吸收的平均功率。6電壓比: 電壓比是指壓敏電阻器的電流為1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值之比。7額定功率: 在規(guī)定的環(huán)境溫度下所能消耗的最大功率。8最大峰值電流 一次:以8/20s標(biāo)準(zhǔn)波形的電流作一次沖擊的最大電流值,此時(shí)壓敏電壓變化率仍在10%以?xún)?nèi)。2次:以8/20s標(biāo)準(zhǔn)波形的電流作兩次沖擊的最大電流值,兩次沖擊時(shí)間間隔為5分鐘,此時(shí)壓敏電壓變化率仍在10%以?xún)?nèi)。9殘壓比: 流過(guò)壓敏電阻器的電流為某一值時(shí),在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為這一電流值為殘壓。殘壓比則的殘壓與標(biāo)稱(chēng)電壓之比。10漏

9、電流: 漏電流又稱(chēng)等待電流,是指壓敏電阻器在規(guī)定的溫度和最大直流電壓下,流過(guò)壓敏電阻器的電流。11電壓溫度系數(shù): 電壓溫度系數(shù)是指在規(guī)定的溫度范圍(溫度為2070)內(nèi),壓敏電阻器標(biāo)稱(chēng)電壓的變化率,即在通過(guò)壓敏電阻器的電流保持恒定時(shí),溫度改變1時(shí)壓敏電阻兩端的相對(duì)變化。12電流溫度系數(shù): 電流溫度系數(shù)是指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時(shí),溫度改變1時(shí),流過(guò)壓敏電阻器電流的相對(duì)變化。 13電壓非線性系數(shù): 電壓非線性系數(shù)是指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下,其靜態(tài)電阻值與動(dòng)態(tài)電阻值之比。14絕緣電阻: 絕緣電阻是指壓敏電阻器的引出線(引腳)與電阻體絕緣表面之間的電阻值。15靜態(tài)電容: 靜態(tài)電容是指

10、壓敏電阻器本身固有的電容容量。壓敏電阻標(biāo)稱(chēng)參數(shù) nUn(7U/( 壓敏電阻用字母“MY”表示,如加J為家用,后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分別用于穩(wěn)壓、過(guò)壓保護(hù)、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補(bǔ)償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量,但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流,在用作過(guò)壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用,一般選擇標(biāo)稱(chēng)壓敏電壓V1mA和通流容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。 W7kLC| Fp _WtTGma4 1、所謂壓敏電壓,即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值,大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測(cè)得的電壓值,其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從109

11、000V不等??筛鶕?jù)具體需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC,式中,Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的,它關(guān)系到保護(hù)效果與使用壽命。如一臺(tái)用電器的額定電源電壓為220V,則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.51.414220V=476V,V1mA=2.2VAC=2.2220V=484V,因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470480V之間。 hDnOs_ kqLf ?Wim 2、所謂通流容量,即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25情況下,對(duì)于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言,壓敏電壓的變化不超過(guò) 10時(shí)的最大脈

12、沖電流值。為了延長(zhǎng)器件的使用壽命,ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量。然而從保護(hù)效果出發(fā),要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下,實(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計(jì)算的,則選用220KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿(mǎn)足使用要求時(shí),可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用,并聯(lián)后的壓敏電不變,其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同,否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。 ow7% P 9 xaGPb4Ne 1.2 研制開(kāi)發(fā) * ck) 70年代末到80年代,基礎(chǔ)理論研究取得了重大進(jìn)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止到1998年,公開(kāi)發(fā)表的論文和專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)等累計(jì)

13、達(dá)700多篇,其中有關(guān)基礎(chǔ)研究的約占一半。在基礎(chǔ)研究的推動(dòng)下,8090年代,壓敏陶瓷的材料開(kāi)發(fā)速度大大加快,目前已取得的成果有: cGg$Eqh& (1) 氧化鋅壓敏陶瓷的電壓梯度已從最初的150V/mm擴(kuò)散到(20250)V/mm幾十個(gè)系列,從集成電路到高壓、超高壓輸電系統(tǒng)都可以使用; 04,=TLC5 r (2) 開(kāi)發(fā)出大尺寸元件,直徑達(dá)120mm,2ms方波,沖擊電流達(dá)到1200A,能量容量平均可達(dá)300J/cm3左右; |V!7MRD (3) 汽車(chē)用(85120)工作溫度下的高能元件; PQIS0$+ (4) 視在介電常數(shù)小于500的高頻元件; s/nr/Hh (5) 壓敏電容雙功能電

14、磁兼容(EMC)元件; CE5j 5wA (6) 毫秒級(jí)三角波、能量密度750J/cm3以上的低壓高能元件; =5pC1wNtS (7) 老化特性好、電容量大、陡波響應(yīng)快的無(wú)鉍(Bi)系氧化鋅壓敏元件; bd_49S; (8) 化學(xué)共沉淀法和熱噴霧分解法壓敏電阻復(fù)合粉體制備技術(shù); zJjY (9) 壓敏電阻的微波燒結(jié)技術(shù); .92uuD (10) 無(wú)勢(shì)壘氧化鋅大功率線性電阻。 UCqs ! h PuT K# -(0k 3$9eU 2 壓敏電阻器的應(yīng)用原理 B5_2.0)。這兩種配方的性能差別造成了許多應(yīng)用上的“死區(qū)”,例如:在10kV電壓等級(jí)的輸配電系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用了真空開(kāi)關(guān),由于它動(dòng)作速度

15、快、拉弧小,會(huì)在操作瞬間造成極高過(guò)壓和浪涌能量,如果選用高壓型壓敏電阻加以保護(hù)(如氧化鋅避雷器),雖然它電壓梯度高、成本較低,但能量容量小,容易損壞;如果選用高能型壓敏電阻,雖然它能量容量大,壽命較長(zhǎng),但電壓梯度低,成本太高,是前者的513倍。在中小功率變頻電源中,過(guò)壓保護(hù)的對(duì)象是功率半導(dǎo)體器件,它對(duì)壓敏電阻的大電流特性和能量容量的要求都很?chē)?yán)格,而且要同時(shí)做到元件的小型化。高能型壓敏電阻在能量容量上可以滿(mǎn)足要求,但大電流性能不夠理想,小直徑元件的殘壓比較高,往往達(dá)不到限壓要求;高壓型壓敏電阻的大電流特性較好,易于小型化,但能量容量不夠,達(dá)不到吸能要求。目前中小功率變頻電源在國(guó)內(nèi)外發(fā)展非常迅速,

16、國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售量已近100億元/年,但壓敏電阻在這一領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎還是空白。 壓敏電阻的失效模式主要是短路,當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí),也可能造成閥片被炸裂而開(kāi)路。壓敏電阻使用壽命較短,多次沖擊后性能會(huì)下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。 解決上述問(wèn)題的有效方法是提高高壓型壓敏電阻的能量密度,或提高高能型壓敏電阻的電壓梯度和非線性系數(shù)(降低殘壓比),即開(kāi)發(fā)高壓高能型壓敏電阻。5 應(yīng)用納米材料改性壓敏電阻氧化鋅壓敏陶瓷屬體型壓敏材料,電壓、電流特性對(duì)稱(chēng),壓敏電壓和通流能力可以控制,具有很高的非線性系數(shù),成為當(dāng)今壓敏材料中的一個(gè)重要分支。為了解決高壓型壓敏電阻與高能型壓敏電阻應(yīng)用

17、上的“死區(qū)”,提出添加納米材料進(jìn)行壓敏電阻改性實(shí)驗(yàn)研究,制得高壓高能型壓敏電阻,將能大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)和能量密度。到目前為止,在亞微米級(jí)前驅(qū)粉體基礎(chǔ)上進(jìn)行的各種傳統(tǒng)改性研究(粉體制備方法的改進(jìn)、配方和燒結(jié)工藝調(diào)整等),均無(wú)法解決高壓高能問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高壓高能壓敏電阻是公認(rèn)的難題。壓敏行業(yè)的專(zhuān)家普遍認(rèn)為:發(fā)展多學(xué)科交*研究,利用新技術(shù)、新材料對(duì)壓敏電阻進(jìn)行改性是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用方面,納米材料已得到廣泛重視,也正在形成一種新的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外有相當(dāng)一批學(xué)者正在著手這方面的研究,初步研究結(jié)果已經(jīng)顯示出采用納米材料是實(shí)現(xiàn)高壓高能的有效途徑。在國(guó)外由前南斯拉夫塞爾維

18、亞科學(xué)院Milosevic1994年使用高能球磨法,制成平均粒徑100nm以下的復(fù)合ZnO壓敏電阻粉末,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的壓敏電阻,非線性系數(shù)達(dá)到45,燒成密度達(dá)到理論密度的99,而且漏電流比較小。由此可見(jiàn),納米材料可以大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)(即降低殘壓比,改善大電流特性)和能量密度,對(duì)實(shí)現(xiàn)壓敏電阻和高壓高能具有重要意義。但是,當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道所涉及的研究方法僅限于全部使用納米材料,這種方法工藝復(fù)雜、成本高,不便于生產(chǎn)應(yīng)用。而在采用納米添加法領(lǐng)域內(nèi)(使用少量或微量的納米粉與亞微米粉相結(jié)合的方法),對(duì)壓敏電阻進(jìn)行改性研究,這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于:納米添加法具有選擇性,可根據(jù)不同的應(yīng)用需要,有目的地

19、進(jìn)行單組份納米添加實(shí)驗(yàn),尋求改性效果最佳的納米材料和添加比例,因而原料成本不會(huì)大幅度增加。制備方法簡(jiǎn)單,基本上改變壓敏電阻的現(xiàn)有生產(chǎn)方法,研究成果便于直接應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去。6 結(jié) 論綜上所述,壓敏電阻器應(yīng)用趨向?yàn)椋河幸€的壓敏電阻器近兩年來(lái)仍有一定幅度的增長(zhǎng),目前為總需求的5560;由于手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用,片式無(wú)引線壓敏電阻器市場(chǎng)增長(zhǎng)率將不斷提高,將逐步超過(guò)有引線的壓敏電阻器產(chǎn)量,成為今后的主流產(chǎn)品。在研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,采用納米添加改性壓敏電阻,研究開(kāi)發(fā)一種全新概念的氧化鋅壓敏電阻,實(shí)現(xiàn)壓敏電阻的高壓高能化,將具有很好的市場(chǎng)前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。一、壓敏電阻的安全性問(wèn)題:壓敏電阻起火燃

20、燒的表觀現(xiàn)象,大體上可分為老化失效和暫態(tài)過(guò)電壓破壞兩種類(lèi)型在以往的應(yīng)用中,跨接在電源線上的壓敏電阻器出現(xiàn)過(guò)起火燃燒,危機(jī)臨近其它元器件的事故。對(duì)此,制造者和使用者共同進(jìn)行了大量研究和分析工作,采取了相應(yīng)的對(duì)策,極大地降低了這類(lèi)事故的概率,但尚未杜絕,因此,壓敏電阻的使用安全性仍是個(gè)值得重視、需要繼續(xù)研究解決的課題。壓敏電阻起火燃燒的表觀現(xiàn)象,大體上可分為老化失效和暫態(tài)過(guò)電壓破壞兩種類(lèi)型。老化失效,這是指電阻體的低阻線性化逐步加劇,漏電流惡性增加且集中流入薄弱點(diǎn),薄弱點(diǎn)材料融化,形成1k左右的短路孔后,電源繼續(xù)推動(dòng)一個(gè)較大的電流灌入短路點(diǎn),形成高熱而起火。這種事故通常可以通過(guò)一個(gè)與壓敏電阻串聯(lián)的

21、熱熔接點(diǎn)來(lái)避免。熱熔接點(diǎn)應(yīng)與電阻體有良好的熱耦合,當(dāng)最大沖擊電流流過(guò)時(shí)不會(huì)斷開(kāi),但當(dāng)溫度超過(guò)電阻體上限工作溫度時(shí)即斷開(kāi)。研究結(jié)果表明, 若壓敏電阻存在著制造缺陷,易發(fā)生早期失效, 強(qiáng)度不大的電沖擊的多次作用,也會(huì)加速老化過(guò)程,使老化失效提早出現(xiàn)。暫態(tài)過(guò)電壓破壞,這是指較強(qiáng)的暫態(tài)過(guò)電壓使電阻體穿孔,導(dǎo)致更大的電流而高熱起火。整個(gè)過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生,以至電阻體上設(shè)置的熱熔接點(diǎn)來(lái)不及熔斷。在三相電源保護(hù)中,N-PE線之間的壓敏電阻器燒壞起火的事故概率較高,多數(shù)是屬于這一種情況。相應(yīng)的對(duì)策集中在壓敏電阻損壞后不起火。一些壓敏電阻的應(yīng)用技術(shù)資料中,推薦與壓敏電阻串聯(lián)電流熔絲(保險(xiǎn)絲)進(jìn)行保護(hù)。二、壓敏

22、電阻的連接線問(wèn)題將壓敏電阻接入電路的連接線要足夠粗,推薦的連接線的尺寸注:接地線為5.5 mm2以上連接線要盡可能短,且走直線,因?yàn)闆_擊電流會(huì)在連接線電感上產(chǎn)生附加電壓,使被保護(hù)設(shè)備兩端的限制電壓升高。壓敏電阻通流量600A(6002500)A(25004000)A(400020K)A導(dǎo)線截面積 0.3 mm2 0.5 mm2 0.8 mm2 2 mm2例如:若壓敏電阻MY兩端各有3 cm長(zhǎng)的接線,它的電感量L大體為18 nH,若有10 KA的8/20沖擊電流流入壓敏電阻,把電流的升速看作10KA / 8s,則引線電感上的附加電壓UL1、UL2大體為UL1= UL2=L(di/dt)=1810

23、-9( 10103 / 810-6 )=22.5 V這就使限制電壓增高了45V。三、壓敏電阻的串聯(lián)和配對(duì)壓敏電阻可以很簡(jiǎn)單地串聯(lián)使用。將兩只電阻體直徑相同(通流量相同)的壓敏電阻串聯(lián)后,漆壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和限制電壓相加,而通流量指標(biāo)不變。例如在高壓電力避雷器中,要求持續(xù)工作電壓高達(dá)數(shù)千伏,數(shù)萬(wàn)伏,就是將多個(gè)ZnO壓敏電阻閥片迭和起來(lái)(串聯(lián))而得到的。壓敏電阻可以并聯(lián),目的是獲得更大的通流量,或者在沖擊電流峰值一定的條件下減小電阻體中的電流密度,以降低限制電壓。當(dāng)要求獲得極大的通流量 例如8/20,(50200)KA ,且壓敏電壓又比較低(例如低于200V)時(shí),電阻體的直徑 / 厚度比太大

24、,在制造技術(shù)上有困難,且隨著電阻體直徑的加大,電阻體的微觀均勻性變差,因此通流量不可能隨電阻體面積成比例地增大。這時(shí)用較小直徑的電阻片并聯(lián)可能是個(gè)更合理的方法。由于高非線性,壓敏電阻片的并聯(lián)需要特別小心謹(jǐn)慎,只有經(jīng)過(guò)仔細(xì)配對(duì),參數(shù)相同的電阻片相并聯(lián),才能保證電流在各電阻片之間均勻分配。針對(duì)這種需求,本公司專(zhuān)門(mén)為用戶(hù)提供配對(duì)的電阻片。此外,縱向連結(jié)的幾個(gè)壓敏電阻器,使用經(jīng)過(guò)配對(duì)的參數(shù)一致的壓敏電阻器后,當(dāng)沖擊侵入時(shí),出現(xiàn)在橫向的電壓差可以很小。在這種情況下,配對(duì)也是有意義的。四、壓敏電阻與氣體放電器件的串聯(lián)和并聯(lián)壓敏電阻可以與氣體放電管、空氣隙、微放電間隙等氣體放電器件相串聯(lián)(圖10.5a),這

25、個(gè)串聯(lián)組合的正常工作要滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件:、系統(tǒng)電壓上限值應(yīng)低于氣體放電器件G的直流擊穿電壓;、G點(diǎn)火后在系統(tǒng)電壓上限值下,壓敏電阻MY中的電流應(yīng)小于G的電弧維持電流,以保證G的熄弧。這種串聯(lián)組合具有電容量小,工作頻率高;漏電流極小安全性好;以及不存在壓敏電阻MY在系統(tǒng)電壓下老化的問(wèn)題,因而可靠性高等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也有氣體放電器件相應(yīng)慢所引起的讓通電壓?jiǎn)栴}。壓敏電阻也可與氣體放電管并聯(lián),以降低氣體放電管的沖擊點(diǎn)火電壓。雷電與防雷誤區(qū) 隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子器件已進(jìn)入大規(guī)模集成電路時(shí)代。電子設(shè)備的功能得以改善,運(yùn)行的可靠性不斷提高,然而防雷的能力卻大大地降低了。現(xiàn)在,每年遭到雷擊而造成的損失數(shù)以?xún)|

26、元計(jì),所以研究保護(hù)微電子設(shè)備免遭雷電危害已成為一個(gè)重要課題。雖然近兩個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件,但由于對(duì)雷電的了解不全面或?qū)ζ骷阅艿钠?jiàn),往往得不到預(yù)期的效果。由于不得其法,浪費(fèi)了大量資財(cái)。本文闡述雷電的成因并指出當(dāng)前防雷誤區(qū),力圖打破似乎凍結(jié)的防雷方法的規(guī)范,以求防雷研究的進(jìn)展。1 雷電的形成1.1 自然界的自由電荷 在電子學(xué)中,當(dāng)人們研究電的現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成物質(zhì)的微單元的原子中,圍繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的外層電子易受外界條件的影響而逸出,使原子缺少電子或者自由電子單獨(dú)存在而對(duì)外部形成電場(chǎng)的帶電現(xiàn)象。 金屬導(dǎo)體和絕緣體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)別在于:金屬導(dǎo)體中的自由電子內(nèi)部引力較弱,而絕緣

27、體內(nèi)部引力較強(qiáng)。所以在金屬導(dǎo)體環(huán)路中,如加上一種使自由電子逸出的力量(這個(gè)力量我們叫電壓),由于環(huán)路中電壓的存在,金屬中的電子產(chǎn)生位移式的流動(dòng),不過(guò)金屬內(nèi)的正負(fù)電荷量的絕對(duì)值是相等的,一旦去掉加在環(huán)路中的電壓,環(huán)路立即處于中性,沒(méi)有電子的流動(dòng),不再產(chǎn)生電場(chǎng)。 對(duì)非環(huán)路的金屬,比如兩塊相互平行的金屬板,它們之間以空氣為介質(zhì),如在這兩塊板上加上電壓,金屬導(dǎo)體中的電子按同性相斥,異性相吸規(guī)律,使電子向一面流動(dòng),產(chǎn)生電場(chǎng),這種現(xiàn)象稱(chēng)為靜電現(xiàn)象。這時(shí)對(duì)某一塊金屬來(lái)說(shuō),它們電荷的正負(fù)電量的絕對(duì)值就不相等了,這時(shí)如去掉加在其上的電壓,它不像環(huán)路那樣呈現(xiàn)電中性,卻仍保持帶電性質(zhì),仍然有電場(chǎng)的存在,但是隨著時(shí)間

28、的推移,這個(gè)電場(chǎng)會(huì)自然消失。正統(tǒng)的理論解釋為A片金屬的電子通過(guò)介質(zhì)層逐步釋放給B片金屬的結(jié)果,這是以環(huán)路電流理論為依據(jù)的論點(diǎn)。但是,如果將兩塊已充了電的金屬塊瞬間拉開(kāi)到不可能從A向B釋放電子的距離,兩塊金屬會(huì)不會(huì)永久性地帶電呢?事實(shí)告訴我們,隨著時(shí)間的推移帶電現(xiàn)象也隨之消失,這是什么原因呢?教科書(shū)上提到的摩擦起電現(xiàn)象,即絕緣體相互摩擦后,絕緣體出現(xiàn)帶電現(xiàn)象,在這種情況下,是否需要兩件物體再接觸一下才能使絕緣體呈現(xiàn)帶電中性呢?事實(shí)并非如此,這些懸于空間的帶電物體,不管帶電性質(zhì)如何,只要與大地接觸一下,帶電現(xiàn)象就立即消失。因此這種現(xiàn)象告訴我們,在自然界中,A給B的電荷,A不必從B收回,B多余的電荷

29、也不一定向A輸出,這與金屬環(huán)路電流理論是不相同的。同時(shí)可以推定,自然空間(包括大地在內(nèi))各種物體電荷的擁有量的絕對(duì)值是不相等的,就是說(shuō)自然界擁有巨大的自由電荷量。 自然界之所以擁有大量的自由電荷,從電勢(shì)形成概念而言,有電磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、摩擦起電及射線等諸方面原因,現(xiàn)代科學(xué)可以做到測(cè)量人腦電流的運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷腦的活動(dòng)。自然界的自由電荷的成因,用能量守恒定律來(lái)規(guī)范,可以這樣說(shuō):凡有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的地方(包括宇宙射線),就會(huì)產(chǎn)生電子運(yùn)動(dòng)并形成自由電荷,這是一種能轉(zhuǎn)換成另一種能的變換過(guò)程,所以自然界物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是自然界產(chǎn)生自由電荷的根源。 所謂自然界,包括天空與大地這樣廣闊的空間,這個(gè)空間不存在電荷的中性,就大

30、地而言,我們稱(chēng)之為零電位,但大地本身因物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)其電位并非為零,它擁有大量的自由電荷,我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn):用一副耳機(jī),或者一只毫伏表,兩根同金屬性質(zhì)的金屬棒,在一定距離內(nèi)分別將金屬棒插入地下,棒與棒之間用耳機(jī)可以聽(tīng)到地電荷的噪音,如果接上毫伏表發(fā)現(xiàn)有電壓指示,而這種指示不因放電時(shí)間的加長(zhǎng)而消失,單線傳輸?shù)碾娫捑€路,電話的耳機(jī)里的噪音也連續(xù)不斷,這些都說(shuō)明大地自由電荷的存在。當(dāng)然用上述方法無(wú)法測(cè)量天空自由電荷,但是我們用長(zhǎng)波和中波收音機(jī)收聽(tīng)電臺(tái)時(shí),噪音干擾也連續(xù)不斷,以此證明,天空中有不斷的放電現(xiàn)象,說(shuō)明天空中存在豐富的自由電荷,同時(shí)又能形成一定強(qiáng)度的電場(chǎng)放電。 這里反復(fù)地論證自然界存在

31、自由電荷,其目的是要解釋雷電產(chǎn)生的根源,因?yàn)榻炭茣?shū)上的環(huán)路理論不能對(duì)雷電成因進(jìn)行解釋。1.2 雷電場(chǎng)的產(chǎn)生 雷電的能量是巨大的,在人類(lèi)活動(dòng)中,任何單一的電站所發(fā)出的電能不可能產(chǎn)生一次雷電所釋放的能量,那么這樣大的能量積聚是怎樣形成的呢? 上面說(shuō)過(guò),由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)自然界產(chǎn)生巨大的自由電荷,當(dāng)然這些自由電荷是產(chǎn)生雷電的根源。從電子學(xué)中得知,要形成一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng),一定是其中一方是同性質(zhì)電荷的積累,但是在天空中空氣是絕緣的,同性質(zhì)的電荷又相斥,它們不可能積聚在一起,不可能形成能量的集中,天空中的物質(zhì)受氣流、宇宙射線的影響而產(chǎn)生自由電荷,且不斷增加,在大氣層的擠壓下向太空高層運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)電離層,這個(gè)電

32、離層是含單性電荷的電子層,其電場(chǎng)的能量是不可估量的。 當(dāng)大氣層中出現(xiàn)潮濕的空氣,在上升階段又遇冷空氣結(jié)成水狀云塊時(shí),由于云塊可看成是一個(gè)整體的導(dǎo)體,在電離層電場(chǎng)力的作用下,云層中的電子推向面向地的一端,雖然云塊正負(fù)電荷的絕對(duì)值相等,但實(shí)際上形成了一個(gè)靜電場(chǎng),在晴天,云塊遠(yuǎn)距地面而且云塊與大地間潮濕空氣較稀,它們之間介質(zhì)絕緣程度較高,不易發(fā)生擊穿放電現(xiàn)象,但是在雨天,特別是熱雨季節(jié),由于云層下降,空氣潮濕,在此條件下帶電云塊擊穿空氣向大地放電而形成雷電。 雷電不單純是空間對(duì)地放電,往往在空間也會(huì)形成雷電。這是因?yàn)閹щ娫茐K在空間的位置較高,當(dāng)?shù)孛娴某睗窨諝饧彼偕仙龝r(shí),它與帶電云塊形成的電場(chǎng)在空間放

33、電,形成高空雷電。 上面說(shuō)過(guò),云塊受電離層電場(chǎng)力的作用產(chǎn)生靜電現(xiàn)象,這些云塊向地放電以后,其本身產(chǎn)生電離即云塊的正負(fù)電量的絕對(duì)值不相等,形成帶電現(xiàn)象,帶電云塊隨著氣流運(yùn)動(dòng)與另一云塊形成電場(chǎng),當(dāng)它們逐漸接近時(shí)產(chǎn)生放電現(xiàn)象是形成空中雷的原因,當(dāng)我們觀察雷電在空間放電時(shí),往往是一次接一次有連續(xù)不斷的感覺(jué)。1.3 雷電過(guò)程 雷電過(guò)程也是靜電理論中闡明的電場(chǎng)中介質(zhì)擊穿過(guò)程。上面說(shuō)過(guò)雷電的成因,雷電是帶電云塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中放電的現(xiàn)象,其放電位置不是固定的,但有一定固定的條件。比如電場(chǎng)中介質(zhì)的厚度、絕緣系數(shù)、氣體溫度和地表導(dǎo)電系數(shù)都影響雷擊地點(diǎn)。我們常說(shuō)的多雷區(qū)應(yīng)該說(shuō)該地區(qū)具備上述諸因素中的幾種。但是有人認(rèn)為

34、雷電是在本位置產(chǎn)生的,這是一種誤解。道理很簡(jiǎn)單:因?yàn)樵诒镜貐^(qū)又有什么力量積聚這么大的能量呢?應(yīng)該是帶電云塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中放電形成雷電,當(dāng)然在帶電云塊的作用下,在什么地方放電與地面的前述條件有關(guān),以地貌而言相對(duì)高度越高應(yīng)該說(shuō)越易遭雷擊,這里指的是高建筑物、高山及地表凸出處,但也不一定就在這些地方出現(xiàn)雷擊,因?yàn)樵陔妶?chǎng)中介質(zhì)參數(shù)不單純是指厚度,還取決于絕緣系數(shù)即環(huán)境的溫度和氣體的溫度。我們發(fā)現(xiàn),往往雷擊點(diǎn)不在山頂而在平川,這是因?yàn)槟抢锏某睗窨諝夂蜌鉁厥闺妶?chǎng)介質(zhì)的絕緣低于高山而遭雷擊。另外,地表的導(dǎo)電也有影響,良好的導(dǎo)電地質(zhì)比難以導(dǎo)電的地質(zhì)所產(chǎn)生的雷電場(chǎng)就大得多,所以易導(dǎo)電的地質(zhì)易于引雷。 雷電場(chǎng)是一個(gè)

35、巨大的靜電場(chǎng),是人類(lèi)不可建造的。巨大的電場(chǎng)面積和所積聚的巨大能量是不可估量而又不可測(cè)量的,人們往往在雷電以后,從被雷擊的物體破壞的程度估計(jì)它的大小。對(duì)于雷電流用數(shù)以?xún)|安計(jì)的詞來(lái)形容是不過(guò)份的,雷電場(chǎng)在放電過(guò)程中與靜電場(chǎng)放電有相似的地方,但也有差別,人為形成的靜電場(chǎng)其儲(chǔ)能是極為有限的,所以它在放電過(guò)程中放電電流是從最大值逐步減弱,而雷電場(chǎng)就不同,由于儲(chǔ)能巨大,在放電時(shí)因通過(guò)空間的阻力開(kāi)始階段不可能使電場(chǎng)減弱,而是在放電時(shí)空氣加熱以后放電電流達(dá)到最大值,再隨著電場(chǎng)的減弱放電電流隨之下降。所以雷擊過(guò)程中雷電流是從小到大再減弱,就電的性質(zhì)而言,由于它是一個(gè)靜電場(chǎng)的放電,電流的方向是不變的,所形成的是一

36、個(gè)幅度巨大的脈動(dòng)直流電流。 所以雷電流的主要分量是直流分量,但脈動(dòng)部分和雷電流與空氣及地接觸時(shí)產(chǎn)生的熱騷動(dòng)形成的諧波和高次諧波的電磁能量也相當(dāng)大,所以雷電過(guò)程中的交流分量也不可小看,雷擊過(guò)程中,從低頻直至米波段這樣寬的頻譜均受不同程度的干擾,從諧波理論得知,低頻段所受干擾較為嚴(yán)重。 如果我們將地面的物體置于某一位置,雷電對(duì)這一物體產(chǎn)生的干擾可分為感應(yīng)干擾和直接干擾。某一物體不在雷電場(chǎng)內(nèi),但由于雷電在放電過(guò)程,它所產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁波使這一物體受電磁波的沖擊,這樣的雷我們稱(chēng)“感應(yīng)雷”,當(dāng)某一物體置于雷電場(chǎng)內(nèi),而且物體又作為雷電流的導(dǎo)電體,巨大的電流通過(guò)該物體使物體遭到嚴(yán)重破壞,這種直接置于雷電場(chǎng)受到

37、雷電的沖擊,我們稱(chēng)這種雷為“直接雷”。以現(xiàn)代微電子來(lái)說(shuō),不管感應(yīng)雷還是直接雷對(duì)微電子器件都會(huì)造成永久性的破壞。2 防雷的誤區(qū)2.1 避雷針與避雷器 19世紀(jì)后葉,人們發(fā)現(xiàn)金屬導(dǎo)體尖端放電現(xiàn)象。避雷針是典型的利用尖端放電原理做成的防雷裝置,在被保護(hù)物體上架設(shè)一根金屬針,并將它與地相通。它是怎樣避雷的呢?解釋是這樣:當(dāng)避雷針置于空中對(duì)地這個(gè)雷電場(chǎng)時(shí),由于避雷針與大地有良好的接觸,此時(shí)電場(chǎng)能量通過(guò)避雷針?lè)烹姡纂妶?chǎng)消失,使它不發(fā)生大電流的放電,從而起到消雷的作用。但是這種解釋也有不清楚的地方,即位于強(qiáng)大的雷電場(chǎng)下的避雷針,能否按人們的意愿慢慢地放電使雷電場(chǎng)消失呢?從電學(xué)原理也說(shuō)不通。因?yàn)閺?qiáng)大的雷電場(chǎng)

38、就像炸藥缺少引信一樣,避雷針?biāo)傅目臻g就像引信,由于避雷針的引導(dǎo)會(huì)一觸即發(fā)。因?yàn)槠涓叨群土己玫慕拥貤l件要優(yōu)于其它位置,同時(shí)尖端形成的電場(chǎng)又大于其它地方,所以強(qiáng)大的雷電場(chǎng)以避雷針為中心放電區(qū),如果說(shuō)避雷針本身不具有電抗,接地電阻又達(dá)到零值,數(shù)以?xún)|安計(jì)的雷電流可以順利通過(guò)它,不會(huì)形成熱效應(yīng)和雷電位,便可達(dá)到避雷目的。但避雷針本身和引線存在著電抗,接地電阻不可能為零,所以雷擊過(guò)程中,它沒(méi)有避雷能力,只起到雷擊位置的引導(dǎo)作用。人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn),但對(duì)避雷針有所偏愛(ài)或者說(shuō)對(duì)雷電成因不理解,他們將雷電解釋為是本位置產(chǎn)生的,就是說(shuō)講不清楚的原因,在避雷針設(shè)置的地方和相對(duì)的空間形成電場(chǎng),由于避雷針逐步放電而使這

39、一電場(chǎng)建立不起來(lái),所以避雷針起到消雷的作用。事實(shí)上從20世紀(jì)以來(lái)人們對(duì)避雷針的避雷作用公開(kāi)地提出了質(zhì)疑,因?yàn)楸芾揍槼蔀橐揍樀氖录乙?jiàn)不鮮。 然而避雷針在下述情況能發(fā)揮一定作用,當(dāng)帶電云塊的電量很小,而且又遠(yuǎn)離地面與大地形成不太強(qiáng)的電場(chǎng)時(shí),避雷針對(duì)其電場(chǎng)逐步放電達(dá)到消除這個(gè)電場(chǎng)的目的。地面有些物體與大地是絕緣的,比如木質(zhì)結(jié)構(gòu)的古建筑物,在感應(yīng)雷和直接雷的作用下,可能會(huì)帶上靜電,由于靜電的存在可能引起火災(zāi),如果在這些物體上架設(shè)避雷針,就可使建筑物與大地形成等電位,避免這些物體在雷電場(chǎng)作用下帶靜電。 但是,現(xiàn)代的建筑物幾乎都是鋼筋水泥結(jié)構(gòu)的,它與大地已形成了等電位,顯然架設(shè)避雷針是多余的。但是現(xiàn)在

40、的建筑物仍沿襲老規(guī)矩架設(shè)避雷針,其原因很明顯,主要是責(zé)任和規(guī)范問(wèn)題。說(shuō)句實(shí)話,不設(shè)避雷針誰(shuí)能保證該建筑物不受雷擊?安裝了避雷針而遭雷擊是老天爺?shù)氖?,?zé)任不在人。 幾乎在出現(xiàn)避雷針的同時(shí),在輸電線上人們利用尖端放電現(xiàn)象發(fā)明了尖端放電避雷器,兩個(gè)尖端所形成的電場(chǎng)在一定間距內(nèi)放電,這個(gè)間距的大小可以設(shè)定在一定電壓下放電,于是將它安裝在輸電線上,使雷電的超壓值通過(guò)此放電器引導(dǎo)入地達(dá)到避雷的目的。20世紀(jì)初葉,輸電線上普遍安裝了形似羊角的羊角避雷器,但是由于羊角避雷器在泄放雷電過(guò)程中,空氣被加熱引起電弧不斷,雖然有引導(dǎo)電弧上升的形態(tài),但雷電過(guò)后,電路不能正常供電。于是在尖端放電的基礎(chǔ)上加了對(duì)電壓敏感的電

41、阻元件,此元件在超過(guò)額定電壓時(shí)呈現(xiàn)的電阻小,反之阻值增大,對(duì)過(guò)壓引起的電流起到開(kāi)關(guān)作用,這種避雷器稱(chēng)“閥型避雷器”。按壓敏原理又派生出氣敏和氧化鋅器件。 不管羊角型、閥型、氣敏和壓敏避雷器,它們的結(jié)構(gòu)企圖達(dá)到一個(gè)目的:使輸電線上的過(guò)壓值,通過(guò)這些器件,箝位在人為的整定值上,從而使用戶(hù)設(shè)備的端電壓不超過(guò)額定電壓,確保用戶(hù)設(shè)備的安全。2.2 避雷器件用在不同電路中的反應(yīng) 現(xiàn)在形形色色的避雷器,如果單純地就其本身結(jié)構(gòu)來(lái)判斷是否有防雷作用是不全面的,還要看這些器件用在什么電路。下面介紹幾種電路在雷電過(guò)程中的反應(yīng): (1)高壓輸電線雷電勢(shì)的分布與過(guò)渡 高壓輸電線是三相三線制,線對(duì)地是絕緣的。不管輸電線受

42、感應(yīng)雷或直接雷影響,在三線中的雷電勢(shì)的電位和相位均是相同的,線與線之間的電位差等于零。所以當(dāng)雷擊高壓輸電線時(shí),主要危及輸電線及其在線路上運(yùn)行的變壓器的對(duì)地絕緣。在三線的輸電線中,由于各種原因三線對(duì)地絕緣系數(shù)不盡相同,特別是高壓側(cè)的避雷器絕緣性能更難求得一致,所以在雷擊過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一線首先向地放電現(xiàn)象。由于一線放電,該線雷電位迅速下降,此時(shí)另外二線的雷電位就高于放電線,線與線之間就出現(xiàn)了雷電位差,這個(gè)電壓通過(guò)變壓器高壓側(cè)繞組,低壓側(cè)(即變壓器副邊)就由于電磁感應(yīng)出現(xiàn)雷電壓,這個(gè)電壓很高時(shí)就危及用戶(hù)設(shè)備的安全。 (2)低壓輸電線雷電勢(shì)的分布與過(guò)渡 低壓為三相四線制,零線與大地相連,雷電發(fā)生在低壓電線時(shí),由于零線本身存在著電抗,接地電阻不可能達(dá)到零值,四線上的雷電都向地放電,此時(shí)的低壓輸電線首先是零電位急劇上升,當(dāng)然相線由于零電位上升而相應(yīng)上升,而且每相向零線放電時(shí),都是通過(guò)用戶(hù)設(shè)備進(jìn)行的,由于各自的負(fù)載不同,相應(yīng)的雷電位也不盡相同,這樣又出現(xiàn)了相對(duì)零線間和相間的雷電流。所以當(dāng)雷擊低壓線時(shí),對(duì)用戶(hù)設(shè)備造成破壞的一是對(duì)地絕緣,二是超壓過(guò)載,往往由于零線電位升高而破壞用戶(hù)絕緣的故障最明顯。 (3)小電流電路 所謂小電流電路系指電源功率容量小、電源內(nèi)阻高的電路網(wǎng)絡(luò),這種電路我們常見(jiàn)的如電話外線及電子線路本身。 上面說(shuō)過(guò),目前的防雷器

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