SPD工作原理

    隨著電子科技時代的到來，各家各戶基本上都有必備的電子設備，作為防雷工程師，大家都清楚，電子設備的過壓耐受能力是有限的。如果雷電從戶外的電源線、信號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)電子設備的損壞，從而造成一定的經(jīng)濟損失。隨著這些問題的出現(xiàn)，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，過去也稱為"避雷器"或"過電壓保護器"。電涌保護器的作用是把竄人電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或將強大的雷電流泄流人地，保護被保護的設備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。
    電涌保護器按其工作原理可分為電壓開關型電涌保護器(voltageswitchingtypeSPD)、電壓限制型電涌保護器(voltagelimitingtypeSPD)、復合型電涌保護器(combinationSPD)。開關型電涌保護器是指在沒有電涌過電壓時具有高阻抗，有浪涌電壓時能立即轉變成低阻抗的SPD。電壓開關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關元件。這類電涌保護器有時也稱作“短路型SPD”。電壓限制型電涌保護器是指在沒有電涌電壓時具有高阻抗，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有時也稱作"鉗位型電涌保護器"。復合型電涌保護器是由電壓開關型元件和電壓限制型元件組成，其放電特性表現(xiàn)有電壓開關型和電壓限制型兩者的特點。
　　
　　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元件，管體內(nèi)一般裝有兩個或三個(或更多個)相互隔開的電極。按電極個數(shù)來劃分，常將含兩個電極的氣體放電管稱為二極放電管，將含三個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，這兩種管子的符號也示于圖中。二極和三極放電管的實物如圖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物

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

圖2-33  平衡線路的三級放電管保護電路

　　氣體放電管的優(yōu)點如下。
　　
　　①通流容量大，從幾安到上千安。
　　
　　②極間電容小，不會使工常傳輸信號畸變，特別適合于高頻電子電路的保護。
　　
　　③開斷后的極間阻抗大，約為109Ω，在正常電壓作用下放電管中的漏電流很小。
　　
　　氣體放電管的缺點如下。
　　
　　①動作響應速度慢(響應時間約為10-6s級)。
　　
　　②放電后開斷比較難，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，壓敏電阻的導電性能隨著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，適用的場合有所不同。
　　
　　

圖2-34壓敏電阻

　　壓敏電阻的技術參數(shù)主要有:壓敏電壓(即開關電壓)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)點是:通流能力大;動作響應速度快(響應時間約為10-9s級);在工頻電壓及直流電路中無續(xù)流;產(chǎn)品價格低廉;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。
　　
　　在信息系統(tǒng)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(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作響應快的優(yōu)點，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(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

　　抑制二極管的技術參數(shù)主要如下。
　　
　　①額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)。
　　
　　②最大鉗位電壓它是指管子在通過規(guī)定波形的大電流時，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。
　　
　　③脈沖功率它是指在規(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。
　　
　　④反向變位電壓它是指管子在反向泄漏區(qū)，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(tǒng)的最高運行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運行時處于弱導通狀態(tài)。
　　
　　⑤最大泄漏電流它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過的最大反向電流。
　　
　　⑥響應時間10～11ps。
　　
　　抑制二極管的主要優(yōu)點是:鉗位電壓低;動作響應速度快(響應時間約為10-9s級);使用中不存在老化現(xiàn)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體器件和電子電路的過電壓保護。
　　
　　四、扼流線圈
　　
　　扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同、匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件，實物如圖2-36所示。扼流線圈對于共模信號呈現(xiàn)出大電感，具有抑制作用，而對于差模信號呈現(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(如雷電干擾，，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響。
　　
　　

圖2-36扼流線圈實物

　　這種扼流線圈在制作時應滿足以下要求。
　　
　　①繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
　　
　　②當線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現(xiàn)飽和。
　　
　　③線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
　　
　　④線圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的耐受能力。