相關(guān)閱讀:第一講:解析雷電和浪涌的產(chǎn)生、危害及防護(hù)措施
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1、浪涌電壓的產(chǎn)生和抑制原理
在電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)線路上,經(jīng)常會(huì)受到外界瞬時(shí)過(guò)電壓干擾,這些干擾源主要包括:由于通斷感性負(fù)載或啟停大功率負(fù)載,線路故障等產(chǎn)生的操作過(guò)電壓;由于雷電等自然現(xiàn)象引起的雷電浪涌。這種過(guò)電壓(或過(guò)電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流),是一種瞬變干擾。浪涌電壓會(huì)嚴(yán)重危害電子系統(tǒng)的安全工作。消除浪涌噪聲干擾,防止浪涌危害一直是關(guān)系電子設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心問(wèn)題。為了避免浪涌電壓損害電子設(shè)備,一般采用分流防御措施,即將浪涌電壓在非常短的時(shí)間內(nèi)與大地短接,使浪涌電流分流入地,達(dá)到削弱和消除過(guò)電壓、過(guò)電流的目的,從而起到保護(hù)電子設(shè)備安全運(yùn)行的作用。
2、浪涌電壓抑制器件分類
浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類型。第一種類型為橇棒(crow bar)器件。其主要特點(diǎn)是器件擊穿后的殘壓很低,因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放,而且也使功耗大大降低。另外該類型器件的漏電流小,器件極間電容量小,所以對(duì)線路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護(hù)器、硅雙向?qū)ΨQ開關(guān)(CSSPD)等。
另一種類型為箝位保護(hù)器,即保護(hù)器件在擊穿后,其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升,以箝位的方式起到保護(hù)作用。常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻(MOV),瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)等。
3、氣體放電管的構(gòu)造及基本原理
氣體放電管采用陶瓷密閉封裝,內(nèi)部由兩個(gè)或數(shù)個(gè)帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構(gòu)成,基本外形如圖1所示。當(dāng)加到兩電極端的電壓達(dá)到使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時(shí),氣體放電管便開始放電,并由高阻變成低阻,使電極兩端的電壓不超過(guò)擊穿電壓。
4、氣體放電管與其它浪涌抑制器件參數(shù)比較
1)火花間隙(Arc chopping)
為兩個(gè)形狀象牛角的電極,彼此間有很短的距離。當(dāng)兩個(gè)電極間的電位差達(dá)到一定程度時(shí),間隙被擊穿打火放電,由此將過(guò)電流釋放入地。
優(yōu)點(diǎn):放電能力強(qiáng),通流容量大(可做到100kA以上),漏電流?。?
缺點(diǎn):殘壓高(2~4kV),反應(yīng)時(shí)間慢(≤100ns),有跟隨電流(續(xù)流)。
2)金屬氧化物壓敏電阻(Metal oxside varistor)
該器件在一定溫度下,導(dǎo)電性能隨電壓的增加而急劇增大。它是一種以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻。沒(méi)有過(guò)壓時(shí)呈高阻值狀態(tài),一旦過(guò)電壓,立即將電壓限制到一定值,其阻抗突變?yōu)榈椭怠?
優(yōu)點(diǎn):通流容量大,殘壓較低,反應(yīng)時(shí)間較快(≤50ns),無(wú)跟隨電流(續(xù)流);
缺點(diǎn):漏電流較大,老化速度相對(duì)較快。
3)瞬態(tài)抑制二極管(Transient voltage suppressor)
亦稱齊納二極管,是一種專門用于抑制過(guò)電壓的器件。其核心部分是具有較大截面積的PN結(jié),該P(yáng)N結(jié)工作在雪崩狀態(tài)時(shí),具有較強(qiáng)的脈沖吸收能力。
優(yōu)點(diǎn):殘壓低,動(dòng)作精度高,反應(yīng)時(shí)間快(<1ns),無(wú)跟隨電流(續(xù)流);
缺點(diǎn):耐流能力差,通流容量小,一般只有幾百安培。
4)氣體放電管(Gas discharge tube)
氣體放電管可以用于數(shù)據(jù)線、有線電視、交流電源、電話系統(tǒng)等方面進(jìn)行浪涌保護(hù),一般器件電壓范圍從75~10000V,耐沖擊峰值電流20000A,可承受高達(dá)幾千焦耳的放電。
優(yōu)點(diǎn):通流量容量大,絕緣電阻高,漏電流??;
缺點(diǎn):殘壓較高,反應(yīng)時(shí)間慢(≤100ns),動(dòng)作電壓精度較低,有跟隨電流(續(xù)流)。
各種浪涌抑制器件的共同特點(diǎn)為器件在閾值電壓以下都呈現(xiàn)高阻抗,一旦超過(guò)閾值電壓,則阻抗便急劇下降,都對(duì)尖峰電壓有一定的抑制作用。但各自都有缺點(diǎn),因此根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合,一般采用上述器件中的一個(gè)或者幾個(gè)的組合來(lái)組建相應(yīng)的保護(hù)電路。各種浪涌抑制器件的參數(shù)對(duì)比見表1所列。
5、氣體放電管的主要參數(shù)
1)反應(yīng)時(shí)間指從外加電壓超過(guò)擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時(shí)間,氣體放電管反應(yīng)時(shí)間一般在μs數(shù)量極。
2)功率容量指氣體放電管所能承受及散發(fā)的最大能量,其定義為在固定的8×20μs電流波形下,所能承受及散發(fā)的電流。
3)電容量指在特定的1MHz頻率下測(cè)得的氣體放電管兩極間電容量。氣體放電管電容量很小,一般為≤1pF。
4)直流擊穿電壓當(dāng)外施電壓以500V/s的速率上升,放電管產(chǎn)生火花時(shí)的電壓為擊穿電壓。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓,其值取決于氣體的種類和電極間的距
離等因素。
5)溫度范圍其工作溫度范圍一般在-55℃~+125℃之間。
6)電流—電壓特性曲線以美國(guó)克來(lái)電子公司CG2-230L氣體放電管為例,如圖2所示。
7)絕緣電阻是指在外施50或100V直流電壓時(shí)測(cè)量的氣體放電管電阻,一般>1010Ω。
6、氣體放電管的應(yīng)用示例
1)電話機(jī)/傳真機(jī)等各類通訊設(shè)備防雷應(yīng)用
如圖3所示。特點(diǎn)為低電流量,高持續(xù)電源,無(wú)漏電流,高可靠性。
2)氣體放電管和壓敏電阻組合構(gòu)成的抑制電路
圖4是氣體放電管和壓敏電阻組合構(gòu)成的浪涌抑制電路。由于壓敏電阻有一致命缺點(diǎn):具有不穩(wěn)定的漏電流,性能較差的壓敏電阻使用一段時(shí)間后,因漏電流變大可能會(huì)發(fā)熱自爆。為解決這一問(wèn)題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。但這又帶來(lái)了缺點(diǎn)就是反應(yīng)時(shí)間為各器件的反應(yīng)時(shí)間之和。例如壓敏電阻的反應(yīng)時(shí)間為25ns,氣體放電管的反應(yīng)時(shí)間為100ns,則圖4的R2,G,R3的反應(yīng)時(shí)間為150ns,為改善反應(yīng)時(shí)間加入R1壓敏電阻,這樣可使反應(yīng)時(shí)間為25ns。
3)氣體放電管在綜合浪涌保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用
自動(dòng)控制系統(tǒng)所需的浪涌保護(hù)系統(tǒng)一般由二級(jí)或三級(jí)組成,利用各種浪涌抑制器件的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。氣體放電管一般放在線路輸入端,做為一級(jí)浪涌保護(hù)器件,承受大的浪涌電流。二級(jí)保護(hù)器件采用壓敏電阻,在μs級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)。對(duì)于高靈敏的電子電路,可采用三級(jí)保護(hù)器件TVS,在ps級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。如圖5所示。當(dāng)雷電等浪涌到來(lái)時(shí),TVS首先起動(dòng),會(huì)把瞬間過(guò)電壓精確控制在一定的水平;如果浪涌電流大,則壓敏電阻起動(dòng),并泄放一定的浪涌電流;兩端的電壓會(huì)有所提高,直至推動(dòng)前級(jí)氣體放電管的放電,把大電流泄放到地。
各種電子系統(tǒng),以及通信網(wǎng)絡(luò)等,經(jīng)常會(huì)受到外來(lái)的電磁干擾,這些干擾主要來(lái)自電源線路的暫態(tài)過(guò)程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會(huì)使得系統(tǒng)動(dòng)作失誤甚至硬件損壞。針對(duì)這些問(wèn)題,要做好全面的預(yù)防保護(hù)措施,就需要先找到問(wèn)題的根源,再選用合適的浪涌抑制器件予以解決。
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