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雷击浪涌发生器防护器件有哪些

雷击是指带电云层或带电云层与地面之间的放电现象。这种放电过程会产生强大的闪电和巨大的声线,并随着大量的能量而传递。雷击对电子设施造成了灾难性的破坏。雷击浪涌冲击波可以通过室外传输线路、设备之间的连接线和电力线侵入设备,损坏连接在线路中间或终端的电子设备。雷击地球或接地导体,导致局部瞬时电位上升,影响附近的电子设备,影响设备,损害其对地面绝缘。


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图1.雷电现象


一、浪涌防护装置:

由于浪涌脉冲的脉宽较宽,低通滤波器对其作用非常有限,一般采用特殊的浪涌抑制装置来抑制。浪涌抑制装置的一个共同特点是,当有浪涌电压时,阻抗不同于无浪涌电压。在正常电压下,其阻抗非常高,对电路的工作没有影响。当在其上添加高浪涌电压时,其阻抗变得非常低,从而导致浪涌能量旁路。常用的浪涌抑制装置包括压敏电阻、瞬态抑制二极管(TVS二极管)和气体放电管。这些装置具有图2所示的特性。当浪涌电压超过一定值时,通过它们的电流突然增加,这意味着它们的阻抗突然变得非常低。该装置的使用方法是并联在线路和参考地点之间。当浪涌电压出现时,它们迅速导通,从而将电压范围限制在一定值,保护后端电路,如图2所示。


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图2.浪涌抑制器伏安特性虚线


1.压敏电阻:

压敏电阻是一种将导线焊接在氧化锌颗粒上,然后用绝缘材料包装的设备,如图3所示。当流过压敏电阻的浪涌电流增加时,其电阻会减小,可以将电压夹在一定值上,但由于压敏电阻的电阻降低与流过的电流不完全反比,因此上述电压会随着电流的增加而增加。


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图3.压敏电阻


压敏电阻中的氧化锌颗粒形成类似于PN结的结构,具有二极管的特性。整个压敏电阻相当于大量的二极管并联和串联。由于部分PN结是正偏置,部分是反偏置,因此压敏电阻的特性是双向的,类似于两个背靠背的二极管,如图4所示。


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图4.压敏电阻的结构


显然,串联PN结越多,压敏电阻的导电电压越高。因此,压敏电阻器件的厚度决定了其导电电压。并联PN结越多,压敏电阻承受电流的能力越强。因此,压敏电阻的面积决定了其承受电流的能力。

压敏电阻的一个缺点是钳位电压不是一个确定的值,而是与流过压敏电阻的电流有关。压敏电阻上的电压(一般称为钳位电压)等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的电阻值。流过压敏电阻的电流越大,压敏电阻上的电压在浪涌电流的峰值处最高,会超过交流峰值的30%。因此,压敏电阻的保护效果较差。

压敏电阻的另一个缺点是,一些颗粒在受到浪涌冲击后会损坏并短路。此时,相当于系列PN结减少,从而降低整个压敏电阻的导电电压值。当压敏电阻的导电电压低于电源的峰值电压时,电源的功率电流会流过压敏电阻,使压敏电阻过热损坏,可能发生爆炸,造成安全问题。因此,一般不建议使用压敏电阻。


2.瞬态抑制二极管:

瞬态抑制二极管(TVS)是一种广泛应用于信号线的浪涌保护装置,如图5所示。


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图5.瞬态抑制二极管


TVS的优点是响应时间短,钳位电压低(相对于工作电压)。但由于所有功率都消散在二极管的PN结上,它承受的功率值小,允许流动的电流小。

一般来说,TVS的寄生电容较大。如果在高速数据线上使用,应使用特殊的低电容器件,但低电容器件的额定功率往往较小,仅适用于浪涌能量较小的场合。如果浪涌能量较大,则应与其他大功率浪涌抑制器件一起使用,TVS作为后保护。


3.气体放电管:

气体放电管是一种常用的浪涌保护装置,如图所示。气体放电管的工作原理是利用金属电极之间的放电特性。也就是说,当金属电极之间的电压超过一定值时,电极之间的间隙就会被打破,形成一个通道,电阻很低,接近短路,所以浪涌电压的能量可以从旁边掉下来。气体放电管有两个极和三极,实际上相当于两个气体管包装在一个容器中。如图7所示。


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图6.气体放电管


电极之间的冲击有两种机制,一种是气体的电离现象。这种现象是,当添加到气体上的电场强度较强时,气体中的自由电子或离子会获得足够的能量,撞击其他原子或分子,产生更多的自由电子和离子,形成导电气体,称为气体电离。当电极之间的气体电离时,会有一个可以自行维持的光放电过程,只有较低的电压才能保持其电离状态。维持电压与触点之间的距离无关,在空气中约为300V。此外,为了保持连接,通常需要一个最小的电流,通常是几毫安。

还有另一种机制,即电弧放电。这种现象的机制是,金属表面的自由电子在外部场强的作用下会被拉入空间,脱离金属表面的约束,成为空间的自由电子。电子离开金属表面后,在外部电场的作用下,从阴极移动到阳极。到达阳极后,电极的局部温度非常高,这可能会升华金属,形成一座金属气体桥,即电弧放电。一旦形成金属气体桥,电弧放电过程只能通过低电压和电流维持。一般来说,电压为10~30V,电流为1A。诱发电弧放电的场强度约为5kV/cm。

气体放电管的优点是能承受较大的电流。气体放电管的通流能力与管径有关。管径越大,通流能力越大。气体放电管的质量问题主要表现为慢性漏气和长期使用的可靠性(即直流击穿电压值在多次闪电冲击后偏移),光敏效应和离散性较大。

此外,由于维护其导电所需的电压很低,当浪涌电压时,只要气体放电管上的电压高于维护电压,就会保持导电。在交流场合使用时,只有当交流电超过零点时,才会断开,因此会有一定的跟踪电流。由于跟踪电流时间长,放电管接触会迅速烧毁,缩短放电管的使用寿命。由于气体放电管的这一特点,不适用于电压值高的直流场合。此时,电弧可能无法断开,导致电源保护装置的运行。


4.比较浪涌防护装置的特性:


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图7.浪涌防护器件特性对比


二、通过防护装置的电压对比,浪涌:


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图8.浪涌过后三者的变化情况


图8可以比较三电压瞬态抑制二极管最小,其次是压敏电阻,气体放电管最大,残留压力高,由于压敏电阻和气体放电管流量大,更适合一级保护,瞬态抑制器响应速度快,钳位电压低,更适合二次保护。


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