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雷擊浪涌發(fā)生器防護(hù)器件有哪些

雷擊是指帶電云層或帶電云層與地面之間的放電現(xiàn)象。這種放電過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的閃電和巨大的聲線,并隨著大量的能量而傳遞。雷擊對電子設(shè)施造成了災(zāi)難性的破壞。雷擊浪涌沖擊波可以通過室外傳輸線路、設(shè)備之間的連接線和電力線侵入設(shè)備,損壞連接在線路中間或終端的電子設(shè)備。雷擊地球或接地導(dǎo)體,導(dǎo)致局部瞬時(shí)電位上升,影響附近的電子設(shè)備,影響設(shè)備,損害其對地面絕緣。


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圖1.雷電現(xiàn)象


一、浪涌防護(hù)裝置:

由于浪涌脈沖的脈寬較寬,低通濾波器對其作用非常有限,一般采用特殊的浪涌抑制裝置來抑制。浪涌抑制裝置的一個(gè)共同特點(diǎn)是,當(dāng)有浪涌電壓時(shí),阻抗不同于無浪涌電壓。在正常電壓下,其阻抗非常高,對電路的工作沒有影響。當(dāng)在其上添加高浪涌電壓時(shí),其阻抗變得非常低,從而導(dǎo)致浪涌能量旁路。常用的浪涌抑制裝置包括壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管(TVS二極管)和氣體放電管。這些裝置具有圖2所示的特性。當(dāng)浪涌電壓超過一定值時(shí),通過它們的電流突然增加,這意味著它們的阻抗突然變得非常低。該裝置的使用方法是并聯(lián)在線路和參考地點(diǎn)之間。當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時(shí),它們迅速導(dǎo)通,從而將電壓范圍限制在一定值,保護(hù)后端電路,如圖2所示。


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圖2.浪涌抑制器伏安特性虛線


1.壓敏電阻:

壓敏電阻是一種將導(dǎo)線焊接在氧化鋅顆粒上,然后用絕緣材料包裝的設(shè)備,如圖3所示。當(dāng)流過壓敏電阻的浪涌電流增加時(shí),其電阻會(huì)減小,可以將電壓夾在一定值上,但由于壓敏電阻的電阻降低與流過的電流不完全反比,因此上述電壓會(huì)隨著電流的增加而增加。


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圖3.壓敏電阻


壓敏電阻中的氧化鋅顆粒形成類似于PN結(jié)的結(jié)構(gòu),具有二極管的特性。整個(gè)壓敏電阻相當(dāng)于大量的二極管并聯(lián)和串聯(lián)。由于部分PN結(jié)是正偏置,部分是反偏置,因此壓敏電阻的特性是雙向的,類似于兩個(gè)背靠背的二極管,如圖4所示。


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圖4.壓敏電阻的結(jié)構(gòu)


顯然,串聯(lián)PN結(jié)越多,壓敏電阻的導(dǎo)電電壓越高。因此,壓敏電阻器件的厚度決定了其導(dǎo)電電壓。并聯(lián)PN結(jié)越多,壓敏電阻承受電流的能力越強(qiáng)。因此,壓敏電阻的面積決定了其承受電流的能力。

壓敏電阻的一個(gè)缺點(diǎn)是鉗位電壓不是一個(gè)確定的值,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電阻值。流過壓敏電阻的電流越大,壓敏電阻上的電壓在浪涌電流的峰值處最高,會(huì)超過交流峰值的30%。因此,壓敏電阻的保護(hù)效果較差。

壓敏電阻的另一個(gè)缺點(diǎn)是,一些顆粒在受到浪涌沖擊后會(huì)損壞并短路。此時(shí),相當(dāng)于系列PN結(jié)減少,從而降低整個(gè)壓敏電阻的導(dǎo)電電壓值。當(dāng)壓敏電阻的導(dǎo)電電壓低于電源的峰值電壓時(shí),電源的功率電流會(huì)流過壓敏電阻,使壓敏電阻過熱損壞,可能發(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)用于信號(hào)線的浪涌保護(hù)裝置,如圖5所示。


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圖5.瞬態(tài)抑制二極管


TVS的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短,鉗位電壓低(相對于工作電壓)。但由于所有功率都消散在二極管的PN結(jié)上,它承受的功率值小,允許流動(dòng)的電流小。

一般來說,TVS的寄生電容較大。如果在高速數(shù)據(jù)線上使用,應(yīng)使用特殊的低電容器件,但低電容器件的額定功率往往較小,僅適用于浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大,則應(yīng)與其他大功率浪涌抑制器件一起使用,TVS作為后保護(hù)。


3.氣體放電管:

氣體放電管是一種常用的浪涌保護(hù)裝置,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。也就是說,當(dāng)金屬電極之間的電壓超過一定值時(shí),電極之間的間隙就會(huì)被打破,形成一個(gè)通道,電阻很低,接近短路,所以浪涌電壓的能量可以從旁邊掉下來。氣體放電管有兩個(gè)極和三極,實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)氣體管包裝在一個(gè)容器中。如圖7所示。


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圖6.氣體放電管


電極之間的沖擊有兩種機(jī)制,一種是氣體的電離現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是,當(dāng)添加到氣體上的電場強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí),氣體中的自由電子或離子會(huì)獲得足夠的能量,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,稱為氣體電離。當(dāng)電極之間的氣體電離時(shí),會(huì)有一個(gè)可以自行維持的光放電過程,只有較低的電壓才能保持其電離狀態(tài)。維持電壓與觸點(diǎn)之間的距離無關(guān),在空氣中約為300V。此外,為了保持連接,通常需要一個(gè)最小的電流,通常是幾毫安。

還有另一種機(jī)制,即電弧放電。這種現(xiàn)象的機(jī)制是,金屬表面的自由電子在外部場強(qiáng)的作用下會(huì)被拉入空間,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,在外部電場的作用下,從陰極移動(dòng)到陽極。到達(dá)陽極后,電極的局部溫度非常高,這可能會(huì)升華金屬,形成一座金屬氣體橋,即電弧放電。一旦形成金屬氣體橋,電弧放電過程只能通過低電壓和電流維持。一般來說,電壓為10~30V,電流為1A。誘發(fā)電弧放電的場強(qiáng)度約為5kV/cm。

氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)是能承受較大的電流。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)為慢性漏氣和長期使用的可靠性(即直流擊穿電壓值在多次閃電沖擊后偏移),光敏效應(yīng)和離散性較大。

此外,由于維護(hù)其導(dǎo)電所需的電壓很低,當(dāng)浪涌電壓時(shí),只要?dú)怏w放電管上的電壓高于維護(hù)電壓,就會(huì)保持導(dǎo)電。在交流場合使用時(shí),只有當(dāng)交流電超過零點(diǎn)時(shí),才會(huì)斷開,因此會(huì)有一定的跟蹤電流。由于跟蹤電流時(shí)間長,放電管接觸會(huì)迅速燒毀,縮短放電管的使用壽命。由于氣體放電管的這一特點(diǎn),不適用于電壓值高的直流場合。此時(shí),電弧可能無法斷開,導(dǎo)致電源保護(hù)裝置的運(yùn)行。


4.比較浪涌防護(hù)裝置的特性:


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圖7.浪涌防護(hù)器件特性對比


二、通過防護(hù)裝置的電壓對比,浪涌:


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圖8.浪涌過后三者的變化情況


圖8可以比較三電壓瞬態(tài)抑制二極管最小,其次是壓敏電阻,氣體放電管最大,殘留壓力高,由于壓敏電阻和氣體放電管流量大,更適合一級(jí)保護(hù),瞬態(tài)抑制器響應(yīng)速度快,鉗位電壓低,更適合二次保護(hù)。


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