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一引言  

 

雷擊是指帶電云層之間或帶電云層和地面之間相互靠近產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)象。這個放電過程會產(chǎn)生強烈的閃電和巨大的聲線，并隨著大量的能量傳遞。雷擊對電子設(shè)施具有災(zāi)害破壞。雷擊浪涌沖擊波可通過戶外傳輸線路、設(shè)備間的連接線以及電力線侵入設(shè)備，使串接在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。雷擊大地或接地導(dǎo)體，引起局部瞬間電位上升，波及附近的電子設(shè)備，對設(shè)備產(chǎn)生沖擊，損害其對地絕緣。

 

圖1雷電現(xiàn)象

 

二、浪涌防護器件

 

由于浪涌脈沖的脈寬較寬，低通濾波器對它的作用很有限，一般采用專門的浪涌抑制器件對它進行抑制。浪涌抑制器件的一個共同特性就是阻抗在有浪涌電壓與沒浪涌電壓時不同，正常電壓下，它的阻抗很高，對電路的工作沒有影響，當(dāng)有很高的浪涌電壓加在它上面時，它的阻抗變得很低，將浪涌能量旁路掉。常用的浪涌抑制器件有壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管（TVS二極管）和氣體放電管，這些器件都具有圖2所示的特性，當(dāng)浪涌電壓超過一定值時，流過它們的電流突然增加，這表示它們的阻抗突然變得很低。這類器件的使用方法是并聯(lián)在線路與參考地之間，當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時，它們迅速導(dǎo)通，從而將電壓幅度限制在一定的值，保護后端電路，如圖2所示。

 

圖2 浪涌抑制器伏安特性虛線

 

1.壓敏電阻

 

壓敏電阻是一種在由氧化鋅顆粒壓制而成的片子上焊接上引線，然后用絕緣材料封裝而成的器件，如圖3所示。當(dāng)流過壓敏電阻的浪涌電流增加時，它的電阻會減小，能夠?qū)㈦妷恒Q制在一定的數(shù)值，但是由于壓敏電阻的電阻降低并不是與流過的電流成完全的反比關(guān)系，因此，它上面的電壓隨著電流增加會有所增加。

 

圖3 壓敏電阻

 

壓敏電阻中的氧化鋅顆粒之間構(gòu)成了類似于PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，具有二極管的特性。整個壓敏電阻相當(dāng)于大量的二極管并聯(lián)和串聯(lián)。由于有些PN結(jié)是正向偏置，有些是反向偏置的，因此，壓敏電阻的特性是雙向的，類似于兩個背靠背的二極管，如圖4所示。

 

圖4 壓敏電阻的結(jié)構(gòu)

 

顯然，串聯(lián)的PN結(jié)越多，壓敏電阻的導(dǎo)通電壓越高。因此，壓敏電阻器件的厚度決定了它的導(dǎo)通電壓。并聯(lián)的PN結(jié)越多，壓敏電阻承受電流的能力越強，因此，壓敏電阻的面積決定了它的承受電流能力。

 

壓敏電阻的一個缺點是鉗位電壓不是一個確定的數(shù)值，而是與流過壓敏電阻的電流有關(guān)，壓敏電阻上的電壓（一般稱為鉗位電壓）等于流過壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值，流過壓敏電阻的電流越大，壓敏電阻上的電壓越高，壓敏電阻上的電壓在浪涌電流的峰值處達到最高，這個電壓會超過交流電峰值的30%。因此，壓敏電阻的保護效果較差。

 

壓敏電阻的另一個缺點是，有些顆粒在遭受浪涌的沖擊后會被損壞，呈現(xiàn)短路狀態(tài)，這時相當(dāng)于串聯(lián)的PN結(jié)減少了，因此整個壓敏電阻的導(dǎo)通電壓值就會降低。當(dāng)壓敏電阻的導(dǎo)通電壓低于電源的峰值電壓時，電源的功率電流就會流過壓敏電阻，使壓敏電阻過熱而損壞，可能會發(fā)生爆炸，造成安全問題，因此一般不建議使用壓敏電阻。

 

2.瞬態(tài)抑制二極管

 

瞬態(tài)抑制二極管（TVS）是一種廣泛應(yīng)用在信號線上的浪涌保護器件，如圖5所示。

 

圖5 瞬態(tài)抑制二極管

 

TVS的優(yōu)點是響應(yīng)時間短、鉗位電壓低（相對于工作電壓）。但是由于所有功率都耗散在二極管的PN結(jié)上，因此它所承受的功率值較小，允許流過的電流較小。

 

一般TVS的寄生電容較大，如在高速數(shù)據(jù)線上使用，要用特制的低電容器件，但是低電容器件的額定功率往往較小，僅適合于浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大，要與其他大功率浪涌抑制器件一同使用，TVS作為后級防護。

 

3.氣體放電管

 

氣體放電管是一種常用的浪涌保護器件，如圖所示。氣體放電管的工作原理是利用金屬電極之間的放電特性。也就是，當(dāng)金屬電極之間的電壓超過一定數(shù)值時，電極之間的氣隙會發(fā)生擊穿，形成通路，這個通路的電阻很低，接近短路，因此可以旁路掉浪涌電壓的能量。氣體放電管有兩極的和三極的兩種，三極的氣體放電管實際上相當(dāng)于兩個氣體管封裝在一個容器內(nèi)。如圖7所示。

 

圖6 氣體放電管

 

電極之間的擊穿有兩種機理，一種是氣體的電離現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是，當(dāng)加在氣體上的電場強度較強時，氣體中的自由電子或離子會獲得足夠能量，撞擊其他原子或分子，產(chǎn)生更多的自由電子和離子，形成導(dǎo)電氣體，這種狀態(tài)稱為氣體電離。當(dāng)電極之間的氣體發(fā)生電離時，會發(fā)生一種能自行維持的輝光放電過程，這時只需要較低電壓就能維持其電離狀態(tài)。這個維持電壓與觸點的距離無關(guān)，在空氣中大約為300V。另外，為了維持導(dǎo)通，還需要一個最小電流，通常為幾毫安。

 

電極之間的擊穿導(dǎo)通還有另一種機理，這就是電弧放電。這種現(xiàn)象的機理是，金屬表面的自由電子在外部場強的作用下，會被拉到空間，脫離金屬表面的約束，成為空間的自由電子。電子離開金屬表面后，在外界電場的作用下從陰極向陽極運動，到達陽極后，使電極局部溫度很高，這可能使金屬升華，形成了一個金屬氣體橋，這就是弧光放電。一旦形成了金屬氣體橋，僅需很低的電壓和電流就能夠維持弧光放電的過程，一般維持電壓為10~30V，維持電流為1A。而誘發(fā)弧光放電需要的場強大約為5kV/cm。

 

氣體放電管的優(yōu)點是能夠承受較大的電流，氣體放電管的通流能力與管徑有關(guān)，管徑越大，通流能力越大。氣體放電管的質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為慢性漏氣、長時間使用的可靠性問題（即遭受多次雷電沖擊后，直流擊穿電壓值發(fā)生偏移）、光敏效應(yīng)和離散性較大。

 

另外，由于維持它導(dǎo)通所需要的電壓很低，因此當(dāng)浪涌電壓過后，只要加在氣體放電管上的電壓高于維持電壓，它就會保持導(dǎo)通。在交流場合應(yīng)用時，只有當(dāng)交流電過零點時，它才會斷開，因此會有一定的跟隨電流，由于跟隨電流的時間較長，會導(dǎo)致放電管觸點迅速燒毀，縮短放電管的壽命。由于氣體放電管的這種特性，它不適合于用在電壓值較高的直流場合，這時可能會發(fā)生電弧斷不開的情況，引起電源保護裝置動作。

 

4.浪涌防護器件特性對比

 

圖7 浪涌防護器件特性對比

 

三、浪涌通過防護器件的電壓對比

 

圖8 浪涌通過后三者的變化情況

 

圖8可以對比出三者的導(dǎo)通電壓瞬態(tài)抑制二極管最小、壓敏電阻次之、氣體放電管最大而且殘壓高，由于壓敏電阻和氣體放電管的通流容量大，因此比較適用于一級防護，而瞬態(tài)抑制器的響應(yīng)速度快、鉗位電壓低，比較適合用于二級防護。

 

以上是對浪涌器件的理解，后期給大家提供一級防護、二級防護、三級防護時防護器件的選型和如何搭配才能防護更大的浪涌。