SPD工作原理

    隨著(zhù)電子科技時(shí)代的到來(lái)，各家各戶(hù)基本上都有必備的電子設備，作為防雷工程師，大家都清楚，電子設備的過(guò)壓耐受能力是有限的。如果雷電從戶(hù)外的電源線(xiàn)、信號線(xiàn)和各種金屬管線(xiàn)悄悄的侵入到室內，那么很容易造成屋內電子設備的損壞，從而造成一定的經(jīng)濟損失。隨著(zhù)這些問(wèn)題的出現，那么電涌保護器就誕生了。

    電涌保護器(SurgeProtectionDevice，SPD)是基于上述要求設計的電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過(guò)去也稱(chēng)為"避雷器"或"過(guò)電壓保護器"。電涌保護器的作用是把竄人電力線(xiàn)、信號傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流人地，保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。
    電涌保護器按其工作原理可分為電壓開(kāi)關(guān)型電涌保護器(voltageswitchingtypeSPD)、電壓限制型電涌保護器(voltagelimitingtypeSPD)、復合型電涌保護器(combinationSPD)。開(kāi)關(guān)型電涌保護器是指在沒(méi)有電涌過(guò)電壓時(shí)具有高阻抗，有浪涌電壓時(shí)能立即轉變成低阻抗的SPD。電壓開(kāi)關(guān)型電涌保護器常用的元件有放電間隙、氣體放電管和晶閘管等開(kāi)關(guān)元件。這類(lèi)電涌保護器有時(shí)也稱(chēng)作“短路型SPD”。電壓限制型電涌保護器是指在沒(méi)有電涌電壓時(shí)具有高阻抗，但是隨著(zhù)浪涌電流和電壓的上升，其阻抗將持續地減小的電涌保護器。常用的非線(xiàn)性元件是壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制二極管。這類(lèi)SPD有時(shí)也稱(chēng)作"鉗位型電涌保護器"。復合型電涌保護器是由電壓開(kāi)關(guān)型元件和電壓限制型元件組成，其放電特性表現有電壓開(kāi)關(guān)型和電壓限制型兩者的特點(diǎn)。
　　
　　一、氣體放電管
　　
　　氣體放電管是一種用陶瓷或玻璃封裝且內部充有惰性氣體的短路型保護元件，管體內一般裝有兩個(gè)或三個(gè)(或更多個(gè))相互隔開(kāi)的電極。按電極個(gè)數來(lái)劃分，常將含兩個(gè)電極的氣體放電管稱(chēng)為二極放電管，將含三個(gè)電極的氣體放電管稱(chēng)為三極放電管。圖2-31分別為二極放電管和三極放電管的示意，其中圖2-31(a)為二極放電管，圖2-31(b)為三極放電管，這兩種管子的符號也示于圖中。二極和三極放電管的實(shí)物如圖2-32所示

圖2-31  二級和三級放電管的示意

圖2-32  二級和三級放電管實(shí)物

　　放電管的保護機理與保護間隙類(lèi)似，都是利用氣體放電來(lái)限制過(guò)電壓。當兩電極之間施加的電壓超過(guò)氣體的絕緣強度時(shí)，間隙將放電擊穿，呈現出短路導通狀態(tài)，從而抑制了兩電極之間的過(guò)電壓，使得與放電管并聯(lián)的電子設備或電子元器件得到保護。圖2-33給出了一平衡線(xiàn)路上采用三極放電管的保護電路，當雷電侵入波過(guò)電壓以差模(出現在信號線(xiàn)1和2之間)形式或以共模(分別出現信號線(xiàn)1對地和信號線(xiàn)2對地)形式侵人平衡線(xiàn)路終端電子設備時(shí)，三極放電管通過(guò)A-G、B-G極間放電即可對過(guò)電壓進(jìn)行抑制。

圖2-33  平衡線(xiàn)路的三級放電管保護電路

　　氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)如下。
　　
　?、偻魅萘看?，從幾安到上千安。
　　
　?、跇O間電容小，不會(huì )使工常傳輸信號畸變，特別適合于高頻電子電路的保護。
　　
　?、坶_(kāi)斷后的極間阻抗大，約為109Ω，在正常電壓作用下放電管中的漏電流很小。
　　
　　氣體放電管的缺點(diǎn)如下。
　　
　?、賱?dòng)作響應速度慢(響應時(shí)間約為10-6s級)。
　　
　?、诜烹姾箝_(kāi)斷比較難，存在續流問(wèn)題。
　　
　?、凼褂弥写嬖诶匣F象，工作壽命比較短。
　　
　　二、壓敏電阻
　　
　　信息系統防雷保護中的常用壓敏電阻是一種以ZnO為主要成分的非線(xiàn)性電阻。在一定溫度下，壓敏電阻的導電性能隨著(zhù)其兩端電壓的增大而急劇增強。壓敏電阻器的原理結構、符號如圖2-34所示。壓敏電阻器的材料和伏安特性與ZnO避雷器的閥片相同，工作原理和ZnO避雷器也相同，只是壓敏電阻器的體積較小，適用的場(chǎng)合有所不同。
　　
　　

圖2-34壓敏電阻

　　壓敏電阻的技術(shù)參數主要有:壓敏電壓(即開(kāi)關(guān)電壓)UN，參考電壓Ulma，殘壓Ures，殘壓比K(K=Ures/UN)，最大通流容量Imax，泄漏電流，響應時(shí)間。
　　
　　壓敏電阻的使用條件有:壓敏電壓，UN≥[(×l.2)/0.7]U0(U0為工頻電源額定電壓);最小參考電壓，Ulma≥(1.8～2)Uac(直流條件下使用)，Ulma≥(2.2～2.5)Uac(在交流條件下使用，Uac為交流工作電壓)。
　　
　　壓敏電阻器的主要優(yōu)點(diǎn)是:通流能力大;動(dòng)作響應速度快(響應時(shí)間約為10-9s級);在工頻電壓及直流電路中無(wú)續流;產(chǎn)品價(jià)格低廉;產(chǎn)品電壓和電流的可調范圍大。
　　
　　壓敏電阻器的主要缺點(diǎn)是:寄生電容較大，尤其是高頻情況下，因此壓敏電阻不適于高頻和超高頻電子電路的過(guò)電壓保護。
　　
　　在信息系統中，壓敏電阻器通常應用于電子設備電源的初級和次級的保護，也可應用于頻率不高的信號回路的過(guò)電壓保護。
　　
　　三、抑制二極管
　　
　　抑制二極管具有鉗位限壓功能，它是工作在反向擊穿區，抑制二極管的伏安特性如圖2-35所示。由于它具有鉗位電壓低和動(dòng)作響應快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極管在擊穿區內的伏安特性可用式I二C此表示。式中"為非線(xiàn)性系數，對于齊納二極管，a=7～9;雪崩二極管，a=5～7。
　　
　　

圖2-35抑制二極管的外形及伏安特性

　　抑制二極管的技術(shù)參數主要如下。
　　
　?、兕~定擊穿電壓它是指在指定反向擊穿電流下的擊穿電壓。齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9～4.7V范圍內，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6～200V范圍內。
　　
　?、谧畲筱Q位電壓它是指管子在通過(guò)規定波形的大電流時(shí)，其兩端出現的最高電壓。
　　
　?、勖}沖功率它是指在規定的電流波形(如10/1000P5)下，管子兩端的最大鉗位電壓與管子中電流等值之積。
　　
　?、芊聪蜃兾浑妷核侵腹茏釉诜聪蛐孤﹨^，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應擊穿。此反向變位電壓應明顯高于被保護電子系統的最高運行電壓峰值，也即不能在系統正常運行時(shí)處于弱導通狀態(tài)。
　　
　?、葑畲笮孤╇娏魉侵冈诜聪蜃兾浑妷鹤饔孟?，管子中流過(guò)的最大反向電流。
　　
　?、揄憫獣r(shí)間10～11ps。
　　
　　抑制二極管的主要優(yōu)點(diǎn)是:鉗位電壓低;動(dòng)作響應速度快(響應時(shí)間約為10-9s級);使用中不存在老化現象;承受多次沖擊的能力強;器件產(chǎn)品電壓的可選范圍大。
　　
　　抑制二極管的主要缺點(diǎn)是:通流容量小;管子極間寄生電容隨管子上作用的電壓變化而變化，電壓低時(shí)寄生電容較大。
　　
　　在信息系統中，抑制二極管非常適用于半導體器件和電子電路的過(guò)電壓保護。
　　
　　四、扼流線(xiàn)圈
　　
　　扼流線(xiàn)圈是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同、匝數相同的線(xiàn)圈對稱(chēng)地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，實(shí)物如圖2-36所示。扼流線(xiàn)圈對于共模信號呈現出大電感，具有抑制作用，而對于差模信號呈現出很小的漏電感，幾乎不起作用。扼流線(xiàn)圈使用在平衡線(xiàn)路中能有效地抑制共模干擾信號(如雷電干擾，，而對線(xiàn)路正常傳輸的差模信號無(wú)影響。
　　
　　

圖2-36扼流線(xiàn)圈實(shí)物

　　這種扼流線(xiàn)圈在制作時(shí)應滿(mǎn)足以下要求。
　　
　?、倮@制在線(xiàn)圈磁芯上的導線(xiàn)要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線(xiàn)圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
　　
　?、诋斁€(xiàn)圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現飽和。
　　
　?、劬€(xiàn)圈中的磁芯應與線(xiàn)圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
　　
　?、芫€(xiàn)圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線(xiàn)圈的寄生電容，增強線(xiàn)圈對瞬時(shí)過(guò)電壓的耐受能力。