SPD工作原理

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

    電涌保護(hù)器(SurgeProtectionDevice，SPD)是基于上述要求設(shè)計(jì)的電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過去也稱為"避雷器"或"過電壓保護(hù)器"。電涌保護(hù)器的作用是把竄人電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流人地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。
    電涌保護(hù)器按其工作原理可分為電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器(voltageswitchingtypeSPD)、電壓限制型電涌保護(hù)器(voltagelimitingtypeSPD)、復(fù)合型電涌保護(hù)器(combinationSPD)。開關(guān)型電涌保護(hù)器是指在沒有電涌過電壓時(shí)具有高阻抗，有浪涌電壓時(shí)能立即轉(zhuǎn)變成低阻抗的SPD。電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器常用的元件有放電間隙、氣體放電管和晶閘管等開關(guān)元件。這類電涌保護(hù)器有時(shí)也稱作“短路型SPD”。電壓限制型電涌保護(hù)器是指在沒有電涌電壓時(shí)具有高阻抗，但是隨著浪涌電流和電壓的上升，其阻抗將持續(xù)地減小的電涌保護(hù)器。常用的非線性元件是壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制二極管。這類SPD有時(shí)也稱作"鉗位型電涌保護(hù)器"。復(fù)合型電涌保護(hù)器是由電壓開關(guān)型元件和電壓限制型元件組成，其放電特性表現(xiàn)有電壓開關(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(nèi)部充有惰性氣體的短路型保護(hù)元件，管體內(nèi)一般裝有兩個(gè)或三個(gè)(或更多個(gè))相互隔開的電極。按電極個(gè)數(shù)來劃分，常將含兩個(gè)電極的氣體放電管稱為二極放電管，將含三個(gè)電極的氣體放電管稱為三極放電管。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(hào)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(jí)和三級(jí)放電管的示意

圖2-32  二級(jí)和三級(jí)放電管實(shí)物

　　放電管的保護(hù)機(jī)理與保護(hù)間隙類似，都是利用氣體放電來限制過電壓。當(dāng)兩電極之間施加的電壓超過氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，間隙將放電擊穿，呈現(xiàn)出短路導(dǎo)通狀態(tài)，從而抑制了兩電極之間的過電壓，使得與放電管并聯(lián)的電子設(shè)備或電子元器件得到保護(hù)。圖2-33給出了一平衡線路上采用三極放電管的保護(hù)電路，當(dāng)雷電侵入波過電壓以差模(出現(xiàn)在信號(hào)線1和2之間)形式或以共模(分別出現(xiàn)信號(hào)線1對(duì)地和信號(hào)線2對(duì)地)形式侵人平衡線路終端電子設(shè)備時(shí)，三極放電管通過A-G、B-G極間放電即可對(duì)過電壓進(jìn)行抑制。

圖2-33  平衡線路的三級(jí)放電管保護(hù)電路

　　氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)如下。
　　
　?、偻魅萘看螅瑥膸装驳缴锨О?。
　　
　?、跇O間電容小，不會(huì)使工常傳輸信號(hào)畸變，特別適合于高頻電子電路的保護(hù)。
　　
　?、坶_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(yīng)速度慢(響應(yīng)時(shí)間約為10-6s級(jí))。
　　
　?、诜烹姾箝_斷比較難，存在續(xù)流問題。
　　
　　③使用中存在老化現(xiàn)象，工作壽命比較短。
　　
　　二、壓敏電阻
　　
　　信息系統(tǒng)防雷保護(hù)中的常用壓敏電阻是一種以ZnO為主要成分的非線性電阻。在一定溫度下，壓敏電阻的導(dǎo)電性能隨著其兩端電壓的增大而急劇增強(qiáng)。壓敏電阻器的原理結(jié)構(gòu)、符號(hào)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(shù)主要有:壓敏電壓(即開關(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(yīng)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(yīng)速度快(響應(yīng)時(shí)間約為10-9s級(jí));在工頻電壓及直流電路中無續(xù)流;產(chǎn)品價(jià)格低廉;產(chǎn)品電壓和電流的可調(diào)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電壓保護(hù)。
　　
　　在信息系統(tǒng)中，壓敏電阻器通常應(yīng)用于電子設(shè)備電源的初級(jí)和次級(jí)的保護(hù)，也可應(yīng)用于頻率不高的信號(hào)回路的過電壓保護(hù)。
　　
　　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(qū)，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(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作多級(jí)保護(hù)電路中的最末幾級(jí)保護(hù)元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用式I二C此表示。式中"為非線性系數(shù)，對(duì)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(shù)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(nèi)，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6～200V范圍內(nèi)。
　　
　?、谧畲筱Q位電壓它是指管子在通過規(guī)定波形的大電流時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。
　　
　?、勖}沖功率它是指在規(guī)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﹨^(qū)，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。
　　
　?、葑畲笮孤╇娏魉侵冈诜聪蜃兾浑妷鹤饔孟?，管子中流過的最大反向電流。
　　
　?、揄憫?yīng)時(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(yīng)速度快(響應(yīng)時(shí)間約為10-9s級(jí));使用中不存在老化現(xiàn)象;承受多次沖擊的能力強(qiáng);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(tǒng)中，抑制二極管非常適用于半導(dǎo)體器件和電子電路的過電壓保護(hù)。
　　
　　四、扼流線圈
　　
　　扼流線圈是一個(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(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(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。扼流線圈對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感，具有抑制作用，而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)出很小的漏電感，幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào)(如雷電干擾，，而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無影響。
　　
　　

圖2-36扼流線圈實(shí)物

　　這種扼流線圈在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求。
　　
　　①繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
　　
　?、诋?dāng)線圈流過瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。
　　
　?、劬€圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
　　
　?、芫€圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過電壓的耐受能力。