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      電涌保護器(SPD)工作原理和結構
      添加時(shí)間:2018-12-28

        電涌保護器(Surge protection Device)是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置,過(guò)去常稱(chēng)為“避雷器”或“過(guò)電壓保護器”英文簡(jiǎn)寫(xiě)為SPD。電涌保護器的作用是把竄入電力線(xiàn)、信號傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內,或將強大的雷電流泄流入地,保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。
        電涌保護器的類(lèi)型和結構按不同的用途有所不同,但它至少應包含一個(gè)非線(xiàn)性電壓限制元件。用于電涌保護器的基本元器件有:放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線(xiàn)圈等。

        一、SPD的分類(lèi):
         1.按工作原理分:
         (1)開(kāi)關(guān)型:其工作原理是當沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現為高阻抗,但一旦響應雷電瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí),其阻抗就突變?yōu)榈椭?,允許雷電流通過(guò)。用作此類(lèi)裝置時(shí)器件有:放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。
         (2)限壓型:其工作原理是當沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)為高阻擾,但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會(huì )不斷減小,其電流電壓特性為強烈非線(xiàn)性。用作此類(lèi)裝置的器件有:氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。
         (3)分流型或扼流型
        分流型:與被保護的設備并聯(lián),對雷電脈沖呈現為低阻抗,而對正常工作頻率呈現為高阻抗。
        扼流型:與被保護的設備串聯(lián),對雷電脈沖呈現為高阻抗,而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。
        用作此類(lèi)裝置的器件有:扼流線(xiàn)圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長(cháng)短路器等。
        2.按用途分:
       ?。?)電源保護器:交流電源保護器、直流電源保護器、開(kāi)關(guān)電源保護器等。
       ?。?)信號保護器:低頻信號保護器、高頻信號保護器、天饋保護器等。
        
        二、SPD的基本元器件及其工作原理:
        1.放電間隙(又稱(chēng)保護間隙):
        它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成,其中一根金屬棒與所需保護設備的電源相線(xiàn)L1或零線(xiàn)(N)相連,另一根金屬棒與接地線(xiàn)(PE)相連接,當瞬時(shí)過(guò)電壓襲來(lái)時(shí),間隙被擊穿,把一部分過(guò)電壓的電荷引入大地,避免了被保護設備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調整,結構較簡(jiǎn)單,其缺點(diǎn)時(shí)滅弧性能差。改進(jìn)型的放電間隙為角型間隙,它的滅弧功能較前者為好,它是靠回路的電動(dòng)力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。
        2.氣體放電管:
        它是由相互離開(kāi)的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率,在放電管內還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的,也有三極型的,
        氣體放電管的技術(shù)參數主要有:直流放電電壓Udc;沖擊放電電壓Up(一般情況下Up≈(2~3)Udc;工頻而授電流In;沖擊而授電流Ip;絕緣電阻R(>109Ω);極間電容(1-5PF)
        氣體放電管可在直流和交流條件下使用,其所選用的直流放電電壓Udc分別如下:在直流條件下使用:Udc≥1.8U0(U0為線(xiàn)路正常工作的直流電壓)
        在交流條件下使用:U dc≥1.44Un(Un為線(xiàn)路正常工作的交流電壓有效值)
        3.壓敏電阻:
        它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線(xiàn)性電阻,當作用在其兩端的電壓達到一定數值后,電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個(gè)半導體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點(diǎn)是非線(xiàn)性特性好(I=CUα中的非線(xiàn)性系數α),通流容量大(~2KA/cm2),常態(tài)泄漏電流?。?0-7~10-6A),殘壓低(取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量),對瞬時(shí)過(guò)電壓響應時(shí)間快(~10-8s),無(wú)續流。
        壓敏電阻的技術(shù)參數主要有:壓敏電壓(即開(kāi)關(guān)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(shí)間。
        壓敏電阻的使用條件有:壓敏電壓:UN≥[(√2×1.2)/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)
        壓敏電阻的最大參考電壓應由被保護電子設備的耐受電壓來(lái)確定,應使壓敏電阻的殘壓低于被保護電子設備的而損電壓水平,即(Ulma)max≤Ub/K,上式中K為殘壓比,Ub為被保護設備的而損電壓。
        4.抑制二極管:
        抑制二極管具有箝位限壓功能,它是工作在反向擊穿區,由于它具有箝位電壓低和動(dòng)作響應快的優(yōu)點(diǎn),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內的伏安特性可用下式表示:I=CUα,上式中α為非線(xiàn)性系數,對于齊納二極管α=7~9,在雪崩二極管α=5~7。
        抑制二極管的技術(shù)參數主要有
       ?。?)額定擊穿電壓,它是指在指定反向擊穿電流(常為lma)下的擊穿電壓,這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V~4.7V范圍內,而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V~200V范圍內。
       ?。?)最大箝位電壓:它是指管子在通過(guò)規定波形的大電流時(shí),其兩端出現的最高電壓。
       ?。?)脈沖功率:它是指在規定的電流波形(如10/1000μs)下,管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。
       ?。?)反向變位電壓:它是指管子在反向泄漏區,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的最高運行電壓峰值,也即不能在系統正常運行時(shí)處于弱導通狀態(tài)。
       ?。?)最大泄漏電流:它是指在反向變位電壓作用下,管子中流過(guò)的最大反向電流。
       ?。?)響應時(shí)間:10~11s
        5.扼流線(xiàn)圈:扼流線(xiàn)圈是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件,它由兩個(gè)尺寸相同,匝數相同的線(xiàn)圈對稱(chēng)地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上,形成一個(gè)四端器件,要對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用,而對于差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線(xiàn)圈使用在平衡線(xiàn)路中能有效地抑制共模干擾信號(如雷電干擾),而對線(xiàn)路正常傳輸的差模信號無(wú)影響。
        這種扼流線(xiàn)圈在制作時(shí)應滿(mǎn)足以下要求:
       ?。?)繞制在線(xiàn)圈磁芯上的導線(xiàn)要相互絕緣,以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線(xiàn)圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
       ?。?)當線(xiàn)圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí),磁芯不要出現飽和。
       ?。?)線(xiàn)圈中的磁芯應與線(xiàn)圈絕緣,以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
       ?。?)線(xiàn)圈應盡可能繞制單層,這樣做可減小線(xiàn)圈的寄生電容,增強線(xiàn)圈對瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力。
       6. 1/4波長(cháng)短路器
         1/4波長(cháng)短路器是根據雷電波的頻譜分析和天饋線(xiàn)的駐波理論所制作的微波信號電涌保護器,這種保護器中的金屬短路棒長(cháng)度是根據工作信號頻率(如900MHZ或1800MHZ)的1/4波長(cháng)的大小來(lái)確定的。此并聯(lián)的短路棒長(cháng)度對于該工作信號頻率來(lái)說(shuō),其阻抗無(wú)窮大,相當于開(kāi)路,不影響該信號的傳輸,但對于雷電波來(lái)說(shuō),由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下,此短路棒對于雷電波阻抗很小,相當于短路,雷電能量級被泄放入地。
        由于1/4波長(cháng)短路棒的直徑一般為幾毫米,因此耐沖擊電流性能好,可達到30KA(8/20μs)以上,而且殘壓很小,此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的,其不足之處是工頻帶較窄,帶寬約為2%~20%左右,另一個(gè)缺點(diǎn)是不能對天饋設施加直流偏置,使某些應用受到限制。
        三、SPD的基本電路
       電涌保護器的電路根據不同需要,有不同的形式,其基本元器件就是上面介紹的幾種,一個(gè)技術(shù)精通的防雷產(chǎn)品研究工作者,可設計出五花八門(mén)的電路,好似一盒積木可搭出不同的結構圖案。研制出既有效又性能價(jià)格比好的產(chǎn)品,是防雷工作者的重任。

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