浪涌信號(hào)與防護(hù)方法

1　引言

浪涌是一種上升速度高、持續(xù)時(shí)間短的尖峰脈沖。其產(chǎn)生原因是多方面的，諸如：電網(wǎng)過(guò)壓、開(kāi)關(guān)打火、虬源反向、靜電、電機(jī)/電源噪聲等。眾所周知,電子產(chǎn)品在使用中經(jīng)常會(huì)遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導(dǎo)致電子產(chǎn)品的損壞,損壞的原因是電子產(chǎn)品中的半導(dǎo)體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。據(jù)估計(jì),電子產(chǎn)品的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無(wú)處不在,電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)伏的靜電感應(yīng)電壓,這些,都是電子產(chǎn)品的隱形致命殺手。因此,為了提高電子產(chǎn)品的可靠性和人體自身的安全性,必須對(duì)電壓瞬變和浪涌采取防護(hù)措施。其方法之一是使整機(jī)和系統(tǒng)接地,整機(jī)和系統(tǒng)的地(公共端)和大地應(yīng)分開(kāi),整機(jī)和系統(tǒng)中的每個(gè)子系統(tǒng)均應(yīng)有獨(dú)立的公共端,在子系統(tǒng)之間需傳輸數(shù)據(jù)或信號(hào)時(shí),應(yīng)以大地為參考電平,接地線(面)必須能流過(guò)很大的電流,如幾百安培。第二種防護(hù)方法是在整機(jī)和系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位(如電腦的顯示器等)采用電壓瞬變和浪涌的防護(hù)器件,使電壓瞬變和浪涌通過(guò)防護(hù)器件旁路到子系統(tǒng)地和大地,從而讓進(jìn)入整機(jī)和系統(tǒng)中的瞬變電壓和浪涌幅度大大降低。第三種防護(hù)方法是對(duì)重要和昂貴的整機(jī)和系統(tǒng)采用幾個(gè)電壓瞬變和浪涌防護(hù)器件的組合形式,以構(gòu)成多級(jí)防護(hù)電路。

2　對(duì)浪涌的防護(hù)方法

浪涌保護(hù)器為電子設(shè)備的電源浪涌防護(hù)提供了一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、可靠的防護(hù)方法，通過(guò)防浪涌元件(MOV)，在雷擊感應(yīng)及操作過(guò)電壓時(shí)，迅速將浪涌能量傳入大地，保護(hù)設(shè)備免遭損害。

(1)并聯(lián)型電涌保護(hù)器并聯(lián)于供電線路上

在正常情況下，防雷模塊內(nèi)的壓敏電阻處于高阻狀態(tài)。電網(wǎng)遭受雷擊或開(kāi)關(guān)操作出現(xiàn)瞬時(shí)浪涌過(guò)電壓時(shí)，防雷器在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，壓敏電阻呈低阻狀態(tài)，迅速將過(guò)電壓限制在一個(gè)很低的幅值內(nèi)。

當(dāng)線路中有較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)脈沖或持續(xù)過(guò)電壓，壓敏電阻器性能劣化而發(fā)熱到一定程度使熱脫機(jī)構(gòu)脫扣，避免火災(zāi)發(fā)生，從而保護(hù)設(shè)備。

(2)串聯(lián)濾波型電涌保護(hù)器串聯(lián)接入供電線路中

為貴重的電子設(shè)備提供安全、潔凈的電源，雷電波除了有巨大的能量外，還有極其陡峭的電壓及電流上升率。并聯(lián)型電涌保護(hù)器只能抑制雷電波的幅值，但無(wú)法改變其急劇上升的前沿。串聯(lián)濾波型電源電涌保護(hù)器串聯(lián)于供電線路上。在過(guò)電壓情況下MOV1、MOV2在納妙級(jí)時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，將過(guò)電壓箝位;同時(shí)LC濾波器將雷電波陡峭的電壓，電流提升率降低近1000倍，殘壓降低5倍，從而保護(hù)敏感的用戶設(shè)備。

(3)在電源線的相間、線間安裝壓敏限幅型元件，以限制浪涌過(guò)電壓。

第一種方法對(duì)照明、電梯、空調(diào)、電機(jī)等耐沖擊電壓水平較高的電氣設(shè)備的防護(hù)效果比較好。但對(duì)于集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊的現(xiàn)代電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，實(shí)際防護(hù)效果就不那么令人滿意了。理由如下：

以單相220V交流電源的感應(yīng)雷擊防護(hù)為例，常用方法在零、地線之間并上合適的壓敏型元件，以吸收限制感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的尖峰電壓。電源線路防雷效果的好壞完全取決于壓敏器件參數(shù)的選擇和壓敏器件工作的可靠性。壓敏限幅值的選擇是在市電的峰值310V的基礎(chǔ)上加上20%的電網(wǎng)波動(dòng)影響、10%的器件分散性誤差和15%的因長(zhǎng)期工作造成發(fā)熱、受潮、元件老化等可靠性因素補(bǔ)償，一般取值為470V～510V。感應(yīng)雷擊等各種尖峰干擾電壓都被限制在470V。對(duì)于470V以下的電壓，壓敏器件不動(dòng)作。普通低壓電器設(shè)備(機(jī)床、電梯、照明、空調(diào)等)的工頻耐壓值一般為交流1500V，而瞬間耐壓峰值可達(dá)2500V以上，所以470V的電壓是十分安全的。但大規(guī)模集成電路組成的現(xiàn)代電子設(shè)備的工作電壓一般為±5V～±15V之間，最高耐壓值一般不超過(guò)50V，所以疊加在市電上的小于470V的高頻尖峰電壓就會(huì)直接送入負(fù)載，通過(guò)空間耦合電容，變壓器層間、極間電容不成比例地傳到開(kāi)關(guān)電源或集成電路芯片上，能造成故障。盡管高頻開(kāi)關(guān)電源和電子設(shè)備都有相應(yīng)的防尖峰干擾措施，但受成本和體積限制，再加上感應(yīng)雷擊等尖峰干擾的強(qiáng)度、頻譜變化很大，所以防護(hù)效果不理想。這還是在壓敏限幅元件比較理想的情況下得出的效果，實(shí)際上由于壓敏元件殘壓和引線電感的影響，在較強(qiáng)感應(yīng)雷擊下，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際限幅電壓峰值升到800V～1000V以上，而使后級(jí)電子設(shè)備遭受威脅。

(4)加強(qiáng)對(duì)電子設(shè)備的防護(hù)效果，在電源與負(fù)載間串入超隔離變壓器(又稱隔離法)，以隔絕高頻尖峰干擾，同時(shí)又可使次級(jí)等電位聯(lián)接便于進(jìn)行。

隔離法主要采用帶屏蔽層的隔離變壓器。由于共模干擾是一種相對(duì)大地的干擾，所以它主要通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容來(lái)傳遞。如果在初、次級(jí)之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過(guò)屏蔽層分路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達(dá)到60dB左右。但隔離效果的好壞，往往取決于屏蔽層的工藝。最好選用 0.2 mm厚的紫銅板材，原邊、副邊各加一個(gè)屏蔽層。通常，原邊的屏蔽層通過(guò)一個(gè)電容器與副邊的屏蔽層接到一起，再接到副邊的地上。也可以原邊的屏蔽層接原邊的地線，副邊的屏蔽層接到邊的地線。并且接地引線的截面積也要大一些好。采用帶屏蔽層的隔離變壓器，是個(gè)好方法，只是體積較大。

這種方法因變壓器功能過(guò)于單一，相對(duì)體積、重量大，安裝不甚方便，對(duì)中、低頻尖峰和浪涌防護(hù)效果不好，因此市場(chǎng)有限，生產(chǎn)廠家也不多。所以非特殊場(chǎng)合一般都不用。

(5)吸收法

吸收法主要采用吸波器件將浪涌尖峰干擾電壓吸收掉。吸波器件都有共同的特點(diǎn)，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過(guò)閾值電壓，則阻抗便急劇下降，因此對(duì)尖峰電壓有一定的抑制作用。這類吸波器件主要有壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等。不同的吸波器件對(duì)尖峰電壓的抑制也有各自的局限性.如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大;氣體放大電管的響應(yīng)速度較慢。

TVS(Transient Voltage Suppressor)是一種新型高效的吸收電源進(jìn)線上尖峰脈沖的器件。TVS又稱TVP，中文譯作瞬變電壓抑制器，事實(shí)上是一種特殊的穩(wěn)壓二極管。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度把兩端問(wèn)的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收～個(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，保護(hù)了后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因?yàn)槿绱?，其防雷效果也很好。TVS管和穩(wěn)壓管一樣，是反向應(yīng)用的。與穩(wěn)壓管不同的是，TVS管可以承受的最大峰值電流甚至可高達(dá)數(shù)百安培，最大脈沖功率可以達(dá)到5000W，鉗位響應(yīng)時(shí)間僅為10-12，圖1是TVS用于普通電源進(jìn)線的原理圖。這里采用的是雙向TVS管，它對(duì)于電網(wǎng)的尖峰脈沖電壓和雷電疊加電壓等都能有效的吸收。TVS的用途很多，它還可用作防雷以及各種大功率器件的保護(hù)和吸收電路。[!--empirenews.page--]

3　浪涌防護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)與要求

浪涌防護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾個(gè)方面：

1、防護(hù)水平(殘平)Up

浪涌防護(hù)器在通過(guò)浪涌電流時(shí)，保護(hù)器兩端的電壓差稱殘壓。防護(hù)水平是指在額定放電電流時(shí)，防護(hù)端的殘壓水平，即瞬時(shí)鉗位電壓的鉗制能力。這是選擇浪涌保護(hù)器的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)殡姎?、電子設(shè)備只能承受一定范圍的瞬時(shí)過(guò)電壓，如電話交換機(jī)要求小于1000V，主機(jī)控制部份要求<700V，否則有可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。

2、響應(yīng)時(shí)間ta

浪涌防護(hù)器的響應(yīng)時(shí)間必須比浪涌電流的速度快，是浪涌防護(hù)器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映浪涌防護(hù)器的特性。響應(yīng)時(shí)間越小，抑制浪涌瞬態(tài)電壓的速度就越快。一般由計(jì)算機(jī)控制的電子設(shè)備，其浪涌防護(hù)器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)<10ns，這樣才能達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的目的。

3、最大浪涌電流(放電容量)Imax

最大浪涌電流是指浪涌防護(hù)器處理瞬態(tài)過(guò)壓的最大工作電流。浪涌電流Imax越大，浪涌防護(hù)器的可靠性越高。當(dāng)然，選擇容量大小決定雷區(qū)浪涌的強(qiáng)弱、防護(hù)設(shè)備的重要性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值等因素。

4、噪音衰耗

浪涌瞬態(tài)過(guò)壓一般都會(huì)引起微波和瞬態(tài)高頻噪音，如果浪涌防護(hù)器不采用高頻濾波器模塊對(duì)微波和高頻噪音進(jìn)行過(guò)濾，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂和電子元件老化。這是浪涌防護(hù)系統(tǒng)的安全、可靠的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

5、保護(hù)模式

為保證被防護(hù)系統(tǒng)的安全，在三相四線并帶地線的電源中必須采用全模式結(jié)構(gòu)的浪涌防護(hù)系統(tǒng)。

6、電壓

標(biāo)稱電壓Un：與被防護(hù)系統(tǒng)的額定電壓相符，例如：230/380V。

工作電壓：在電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍內(nèi)具備正常運(yùn)行的能力。

最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc：加在浪涌防護(hù)器接線端的最大連續(xù)工作電壓的有效值。Uc值必須與標(biāo)稱電壓相符，在使用說(shuō)明的規(guī)定范圍內(nèi)。

7、浪涌防護(hù)能力(壽命)

浪涌防護(hù)器在某波形(通常為10kA 8/20μs 20kV波形)下所承受的沖擊次數(shù)。

8、自動(dòng)防故障保護(hù)

浪涌防護(hù)器必須具有自動(dòng)防故障保護(hù)功能。

9、絕緣電阻：≥1000MΩ

10、浪涌防護(hù)器的輔助功能

狀態(tài)顯示、音響報(bào)警、浪涌計(jì)數(shù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

11、電磁兼容

電磁兼容應(yīng)符合國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

4　浪涌防護(hù)器最常用器件

主要有：金屬氧化物壓敏電阻MOV、硅雪崩二級(jí)管SAD、濾波電容器和混合型等。

(1)金屬氧化物壓敏電阻MOV

是非線性的電子元件，允許大電流通過(guò)維持接線端(指定端)很低的殘余電壓。當(dāng)金屬氧化物壓敏電阻遇到瞬時(shí)超過(guò)它的啟動(dòng)電壓時(shí)，它立即由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗屗查g巨大的浪涌泄放到大地，使危險(xiǎn)的高電壓遠(yuǎn)離敏感的電子設(shè)備。

典型的有氧化鋅(ZnO)浪涌吸收器，它是一種以ZnO材料為主，添加多種過(guò)渡性金屬氧化物經(jīng)高溫?zé)商幚矶傻亩嗑О雽?dǎo)體陶瓷元件。由于電微觀結(jié)構(gòu)的隧道效應(yīng)，使它具有與齊納二極管相似的非線性電壓一電流特性曲線。另外，該元件的承受脈沖能量幾乎是齊納二極管的幾十或幾百倍。至今，這種元件已廣泛地應(yīng)用于電源設(shè)備或其他低頻電路防雷擊和吸收開(kāi)關(guān)電涌.

(2)濾波電容器

它能消除巨大的脈沖危害，并可以過(guò)濾高頻噪音。當(dāng)幅度為幾十伏到幾百伏的高脈沖進(jìn)入電源時(shí)，若沒(méi)經(jīng)過(guò)處理，這些脈沖會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)紊亂和元件劣變。瞬間浪涌可以經(jīng)金屬氧化物壓敏電阻與硅雪崩二極管處理，但無(wú)法消除高頻噪音，而濾波電容即可解決此問(wèn)題。

(3)混合型

它兼容了金屬氧化物壓敏電阻的大過(guò)流容量特性，提高浪涌電流導(dǎo)通能力，又具有硅雪崩二極管的反應(yīng)快并具鉗位電壓低的特性。為您提供最低的平穩(wěn)鉗位電壓。同時(shí)由濾波電容器消除高頻噪音。

(4)NTC熱敏電阻器

抑制浪涌電流用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻能有效地將開(kāi)機(jī)瞬間的浪涌電流抑制在十分之一以內(nèi)，而不影響儀器的正常工作，并且在正常工作時(shí)其阻值很小，從而所耗散的功率也很少。這類元件已廣泛用于各類開(kāi)關(guān)電源中。

(5)瞬變電壓抑制器(TVS)

瞬變電壓抑制器(TVS)是一種特殊的硅二極管雪崩器件，故也稱為閉變電壓抑制二極管，其工作原理與齊納二極管相似。特性及符號(hào)與齊納二極管相同，但與一般的齊納二極管不同的是對(duì)TVS器件有大面積的PN結(jié)，具有承受瞬間大電流的能力，另外它的反向特位為典型的雪崩型，在雪崩時(shí)有低動(dòng)態(tài)阻抗及低箝位電壓，只要將TVS并接手要保護(hù)的電路上，當(dāng)有瞬態(tài)電壓發(fā)生時(shí)，TVS將快速響應(yīng)(擊穿)，以耗散大的浪涌電流，電路被塔位于低電壓，使電路得以保護(hù)。

(6) CSSPD

CSSPD即控制維持電流型硅防護(hù)浪涌器件(Current type Silicon Surge Protective Device),它由日本新電元工業(yè)公司于1988年研制成功。該器件雙向兩端器件,由pnpnp五層組成,它是在單芯片上逆向并聯(lián)組成的復(fù)合器件。CSSPD的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、不需多級(jí)防護(hù)電路、耐電流量大、靜電容量小和可靠性高等,特別適用于防護(hù)雷電浪涌。日本新電元工業(yè)公司已推出多種有引線和無(wú)引線CSSPD,如DV3-5、KP4、KP15N系列、SV1-2和VR-60系列等。該公司還推出一種無(wú)引線橋整流(四端),型號(hào)KW4R,它含一個(gè)CSSPD(KP4R20)和四個(gè)整流二極管(S1WB60),它特別適用通信電路和電容性電源的防護(hù)。

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