防雷元器件的性能特點(diǎn)與應(yīng)用技術(shù)分析


摘要：文中介紹了雙線不接地的傳輸電路和有接地線的雙線或多線傳輸電路中，采用不同的防雷元器件構(gòu)成的各種不同的兩級信號防雷器和單級信號防雷器的電路形式與元器件選型原則。

關(guān)鍵詞：防雷元器件 應(yīng)用技術(shù) 開關(guān)

一、防雷元器件的性能特點(diǎn)

開關(guān)元件類

正常工作時，開關(guān)元件是斷開的；當(dāng)雷擊浪涌來的時候，開關(guān)元件導(dǎo)通，將浪涌電流泄放到大地，從而保護(hù)了電子設(shè)備免受浪涌沖擊損壞。開關(guān)元件類有陶瓷氣體放電管、玻璃放電管（強(qiáng)效放電管）、半導(dǎo)體過壓保護(hù)器（半導(dǎo)體放電管、固體放電管）三種類型。它們的優(yōu)點(diǎn)是：①擊穿（導(dǎo)通）前相當(dāng)于開路，電阻很大，幾乎沒有漏電流；②擊穿（導(dǎo)通）后相當(dāng)于短路，可通過很大的電流，壓降很小；③脈沖通流容量（峰值電流）大：陶瓷氣體放電管的8/20μs波峰值電流常用的有5kA、10kA、20kA等幾種（當(dāng)然還有更大的，達(dá)100kA以上），10/1000μs波峰值電流在幾十至幾百A之間；玻璃放電管的8/20μs波峰值電流現(xiàn)有500A、1kA、3kA三種；半導(dǎo)體過壓保護(hù)器的10/1000μs波峰值電流在幾十至上百A之間。④除了個別半導(dǎo)體過壓保護(hù)器外，它們都具有雙向?qū)ΨQ特性。⑤陶瓷氣體放電管和玻璃放電管的電容都很小，在3pF以下。⑥玻璃放電管和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器的響應(yīng)速度都很快，在ns量級。⑦玻璃放電管的擊穿電壓可以做得很高，最高的達(dá)5kV。⑧半導(dǎo)體過壓保護(hù)器的擊穿電壓可以做得很準(zhǔn)確。

它們的缺點(diǎn)分別是：

陶瓷氣體放電管：①由于氣體電離需要一定的時間，所以響應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時間一般為0.2～0.3μs(200～300ns),最快也就是0.1μs(100ns)左右，在它未導(dǎo)通前，會有一個幅度較大的尖脈沖漏過去。②擊穿電壓一致性較差，分散性較大，一般為±20%。③擊穿電壓只有幾個特定值。玻璃放電管和半導(dǎo)體過壓保護(hù)器：①通流容量較陶瓷氣體放電管小得多。②擊穿電壓尚未形成系列值。③玻璃放電管擊穿電壓分散性較大，為±20%。④半導(dǎo)體過壓保護(hù)器電容較大，有幾十至幾百pF。

限壓元件類

有壓敏電阻、TVS管（瞬態(tài)電壓抑制二極管）等。它們象穩(wěn)壓二極管那樣具有限壓特性。當(dāng)外加電壓小于其導(dǎo)通電壓時，它具有很大的內(nèi)阻，漏電流很小；當(dāng)外加電壓大于其導(dǎo)通電壓時，其內(nèi)阻急劇減小，可以流過很大的電流，而其兩端的電壓卻只有少量的上升。它們的導(dǎo)通電壓都有從低壓到高壓的系列值，便于在各種不同電壓的電路中使用。另外，兩者的電容都較大（TVS管也有低電容產(chǎn)品），不適于在高頻電路中使用。

壓敏電阻與TVS管的區(qū)別在于：壓敏電阻能承受更大的浪涌電流，而且其體積越大所能承受的浪涌電流越大，最大可達(dá)幾十kA到上百kA；但壓敏電阻的漏電流較大，非線性特性較差（動態(tài)電阻較大），大電流時限制電壓較高，且所能耐受的沖擊電流的大小隨沖擊次數(shù)的增加而減小（降額特性），較易老化。TVS管的非線性特性和穩(wěn)壓管完全一樣，動態(tài)電阻較小，限制電壓較低，且不易老化，使用壽命長，但通流能力較小（10/1000μs波峰值電流在幾A至幾百A之間）。

再有就是反應(yīng)速度不同，TVS管的反應(yīng)速度極快，為ps級，而壓敏電阻反應(yīng)速度稍慢，為ns級。

防過流和過熱保護(hù)元件類

防過流元件有自恢復(fù)保險絲、電流保險絲、電阻，防過熱保護(hù)和過熱檢測元件有溫度保險管和溫度保險絲。自恢復(fù)保險絲是一種正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)流過它的電流小于其保持電流時（溫度較低），它的阻值很小；當(dāng)流過它的電流超過其觸發(fā)電流時（溫度升高），它的阻值急劇增大，從而阻斷雷電流的繼續(xù)侵入或者電路的續(xù)流，溫度降低后能自行恢復(fù)。但由于熱惰性，其反應(yīng)速度很慢，一般為秒級（流過的電流越大或溫度越高，反應(yīng)越快）。自恢復(fù)保險絲可以用于代替電流保險絲，免除經(jīng)常更換的麻煩。溫度保險管和溫度保險絲是一種溫度開關(guān)元件，正常工作時是短路的，當(dāng)溫度高于其斷開溫度時開關(guān)斷開（不可恢復(fù)），常用于過熱保護(hù)和過熱檢測。


二、防雷元器件的一般使用方法及使用注意事項

防雷元器件的一般使用方法

1.開關(guān)元件主要應(yīng)用于共模保護(hù)，也常在無源電路中作差模保護(hù)。

2.限壓元件主要應(yīng)用于差模保護(hù)，也常用在共模電路中和開關(guān)元件串聯(lián)，防止開關(guān)元件導(dǎo)通后使線路與地發(fā)生短路；或者作為開關(guān)元件的限流元件以阻斷續(xù)流，使開關(guān)元件復(fù)位。

使用注意事項

1.開關(guān)元件不能單獨(dú)跨接在有源電路中作差模保護(hù)，為避免電源短路，必須串接限壓元件。

2.流過防雷元器件的浪涌電流必須小于其脈沖峰值電流。壓敏電阻應(yīng)按其降額特性選擇。

3.用作差模保護(hù)的防雷元器件，其最小擊穿電壓必須大于線路的最高工作電壓。

4.用作差模保護(hù)的防雷元器件，其限制電壓必須小于被保護(hù)設(shè)備所能承受的最高安全電壓。

三、防雷器電路設(shè)計概要

防雷器電路設(shè)計要達(dá)到兩個目的：一是要將線路中感應(yīng)的雷擊浪涌電流泄放到大地，二是要使被保護(hù)設(shè)備端的浪涌電壓限制在允許的安全電壓以下。

電源防雷器電路設(shè)計

首先重點(diǎn)介紹了單相交流電源防雷器的兩種最常用的電路：復(fù)合對稱電路和“1+1”電路。敘述了電路工作原理、元器件選擇原則、電路的失效保護(hù)方法與故障告警。

然后介紹了三相交流電源防雷器和直流電源防雷器的典型電路與元器件選型原則。

最后在指出并聯(lián)式防雷器存在的缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了串聯(lián)式（二端口）防雷器的概念，分析了串聯(lián)式（二端口）防雷器降低限制電壓的原理，并對串聯(lián)式（二端口）防雷器設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)問題做了說明。

信號防雷器電路設(shè)計

常用的信號傳輸系統(tǒng)有雙線傳輸線、普通多芯電纜、雙絞線多芯電纜、同軸電纜等。在信號防雷器中，可以歸納為雙線不接地的傳輸電路和有接地線的雙線或多線傳輸電路兩種。

注意：這里的“地”是指“信號地”，而不是指大地（保護(hù)地PE）。而根據(jù)可能遭遇的雷擊浪涌電流大小不同，可以采用兩級信號防雷器或單級信號防雷器進(jìn)行保護(hù)。
單元電路中的過壓、過流保護(hù)

我們的很多客戶都是在他們自己設(shè)計的電路板上增加防雷元器件來達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。因此，介紹一些單元電路中的過壓、過流保護(hù)方法是十分必要的。這里只介紹兩種最常用的單元電路（電源變壓器或開關(guān)電源、集成放大器）的過壓、過流保護(hù)方法。

四、防雷方案設(shè)計中的價格技術(shù)

有很多客戶要求我們給他們設(shè)計防雷保護(hù)方案。這是他們對我們的信任，也是我們的優(yōu)勢所在。我們一定會根據(jù)被保護(hù)設(shè)備使用的環(huán)境條件和國內(nèi)、國際的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以最合理的保護(hù)方案、最低的成本價格，給用戶最滿意的結(jié)果。