防雷電路中元器件

防雷電路中的元器件1.1氣體放電管圖4-1氣體放電管的原理圖符號(hào)氣體放電管是一種開關(guān)型保護(hù)器件，工作原理是氣體放電。當(dāng)兩極間電壓足夠大時(shí)，極間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，類似短路。導(dǎo)電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在20?50V,因此可以起到保護(hù)后級(jí)電路的效果。氣體放電管的主要指標(biāo)有：響應(yīng)時(shí)間、直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、絕緣電阻、極間電容、續(xù)流遮斷時(shí)間。氣體放電管的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到數(shù)百ns以至數(shù)s,在保護(hù)器件中是最慢的。當(dāng)線纜上的雷擊過電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時(shí)，初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓，放電管擊穿導(dǎo)通后兩極間維持電壓下降到20?50V；另一方面，氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護(hù)器件合用時(shí)應(yīng)使大部分的過電流通過氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護(hù)電路的最前級(jí)，其后級(jí)的防護(hù)電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應(yīng)時(shí)間很快，對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)效果更好。氣體放電管的絕緣電阻非常高，可以達(dá)到千兆歐姆的量級(jí)。極間電容的值非常小，一般在5pF以下，極間漏電流非常小，為nA級(jí)。因此氣體放電管并接在線路上對(duì)線路基本不會(huì)構(gòu)成什么影響。氣體放電管的續(xù)流遮斷是設(shè)計(jì)電路需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。如前所述，氣體放電管在導(dǎo)電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在20?50V,在直流電源電路中應(yīng)用時(shí)，如果兩線間電壓超過15V,不可以在兩線間直接應(yīng)用放電管。在50Hz交流電源電路中使用時(shí)，雖然交流電壓有過零點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)氣體放電管的續(xù)流遮斷，但氣體放電管類的器件在經(jīng)過多次導(dǎo)電擊穿后，其續(xù)流遮斷能力將大大降低，長期使用后在交流電路的過零點(diǎn)也不能實(shí)現(xiàn)續(xù)流的遮斷；還存在一種情況就是如果電流和電壓相位不一致，也可能導(dǎo)致續(xù)流不能遮斷。因此在交流電源電路的相線對(duì)保護(hù)地線、相線對(duì)零線以及相線之間單獨(dú)使用氣體放電管都不合適，當(dāng)用電設(shè)備采用單相供電且無法保證實(shí)際應(yīng)用中相線和中線不存在接反的可能性時(shí)，中線對(duì)保護(hù)地線單獨(dú)使用氣體放電管也是不合適的，此時(shí)使用氣體放電管需要和壓敏電阻串聯(lián)。在交流電源電路的相線對(duì)中線的保護(hù)中基本不使用氣體放電管。防雷電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數(shù)值的選取。設(shè)置在普通交流線路上的放電管，要求它在線路正常運(yùn)行電壓及其允許的波動(dòng)范圍內(nèi)不能動(dòng)作，則它的直流放電電壓應(yīng)滿足：min(u)21.8U。式中u直流擊穿電fdc P fdc壓，min(u)表示直流擊穿電壓的最小值。U為線路正常運(yùn)行電壓的峰值。fdc P氣體放電管主要可應(yīng)用在交流電源口相線、中線的對(duì)地保護(hù)；直流RTN和保護(hù)地之間的保護(hù)；信號(hào)口線對(duì)地的保護(hù)；天饋口饋線芯線對(duì)屏蔽層的保護(hù)。氣體放電管的失效模式多數(shù)情況下為開路，因電路設(shè)計(jì)原因或其它因素導(dǎo)致放電管長期處于短路狀態(tài)而燒壞時(shí)，也可引起短路的失效模式。氣體放電管使用壽命相對(duì)較短，多次沖擊后性能會(huì)下降，同時(shí)其他放電管在長時(shí)間使用會(huì)有漏氣失效這種自然失效的情況，因此由氣體放電管構(gòu)成的防雷器長時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問題。1.2 壓敏電阻圖4-2壓敏電阻的原理圖符號(hào)壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。壓敏電阻的壓敏電壓(min(U))、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流1mA回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U)2(1.8?2)U，式中U為回路中的直流額定工作電壓。在交流1mA dc dc回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U)2(2.2?2.5)U,式中U為回路中的交流工作電壓的有效值。1mA ac ac上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適當(dāng)?shù)陌踩６取Ｔ谛盘?hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(U)2(1.2?1.5)U，式中U為信號(hào)回路的峰值電壓。壓敏電阻的1mA max max通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路、帶饋電的天饋線路。壓敏電阻的失效模式主要是短路，當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會(huì)下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問題。1.3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)圖4-3TVS管原理圖TVS(TransientVoltageSuppression)是一種限壓保護(hù)器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿足要求。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百?幾千pF的數(shù)量級(jí)，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF?幾十pF的數(shù)量級(jí)。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過TVS管的過電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù)，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護(hù)，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。TVS具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的信號(hào)電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有:min（U）2（1.3?1.6）U，式中U為直流TVS的反向擊穿電壓，U是直流回路中的電壓峰值。BR max BR maxTVS管主要可用于直流電源、信號(hào)線路、天饋線路的防雷保護(hù)。TVS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對(duì)較長。14電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管（TSS）圖4-4 TSS管的原理圖符號(hào)電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管（TSS,ThyristorSurgeSuppressor）與TVS管相同，也是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。當(dāng)TSS管兩端的過電壓超過TSS管的擊穿電壓時(shí)，TSS管將把過電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后，TSS恢復(fù)開路狀態(tài)。TSS管在響應(yīng)時(shí)間、結(jié)電容方面具有與TVS管相同的特點(diǎn)。易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動(dòng)作后，將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這時(shí)二極管的結(jié)壓降小，所以用于信號(hào)電平較高的線路（例如：模擬用戶線、ADSL等）保護(hù)時(shí)通流量比TVS管大，保護(hù)效果也比TVS管好。TSS適合于信號(hào)電平較高的信號(hào)線路的保護(hù)。在使用TSS管時(shí)需要注意的一個(gè)問題是：TSS管在過電壓作用下?lián)舸┖?，?dāng)流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復(fù)開路狀態(tài)，因此TSS管在信號(hào)線路中使用時(shí)，信號(hào)線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS管的臨界恢復(fù)電流。臨界恢復(fù)電流值隨TSS管的型號(hào)和設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而不同，使用時(shí)應(yīng)注意在器件手冊(cè)中查明所用具體型號(hào)的確切值。TSS管的擊穿電壓（min（U））、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在信號(hào)回路BR中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min（U）2（1.2?1.5）U，式中U為信號(hào)回路的峰值電壓。BR max maxTSS管較多應(yīng)用于信號(hào)線路的防雷保護(hù)。TSS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成TSS管被炸裂而開路。TSS管的使用壽命相對(duì)較長。1.5正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)PTC是一種限流保護(hù)器件，它有一個(gè)動(dòng)作溫度值Ts，當(dāng)其本體內(nèi)溫度低于TS時(shí)，其阻值維持基本恒定，這時(shí)的阻值稱為冷電阻。當(dāng)正溫度系數(shù)電阻本體那溫度高于TS時(shí)，其阻值迅速增大，可以達(dá)到的最大阻值能過比冷電阻值打104咅左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般串聯(lián)于線上用作暫態(tài)大電流的過流保護(hù)。PTC在信號(hào)線及電源線路上都有應(yīng)用。PTC反應(yīng)速度較慢，一般在毫秒級(jí)以上，因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時(shí)基本發(fā)揮不了作用，只能按它的常態(tài)電阻(冷電阻)來估算它的限流作用。熱敏電阻的作用更多的體現(xiàn)在諸如電力線碰觸等出現(xiàn)長時(shí)間過流保護(hù)的場(chǎng)合，常用于用戶線路的保護(hù)中。目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種，其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC響應(yīng)速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能實(shí)現(xiàn)低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。1.6保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)都屬于保護(hù)器件，用于設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)短路、過流等故障情況下，能夠斷開線路上的短路負(fù)載或過流負(fù)載，防止電氣火災(zāi)及保證設(shè)備的安全特性。保險(xiǎn)管一般用于單板上的保護(hù)，熔斷器、空氣開關(guān)一般可用于整機(jī)的保護(hù)。下面簡單介紹保險(xiǎn)管的使用。對(duì)于電源電路上由空氣放電管、壓敏電阻、TVS管組成的防護(hù)電路，必須配有保險(xiǎn)管進(jìn)行保護(hù)，以避免設(shè)備內(nèi)的防護(hù)電路損壞后設(shè)備發(fā)生安全問題。圖4-5給出了保險(xiǎn)應(yīng)用的兩個(gè)例子，其中a電路中防護(hù)電路與主回路共用一個(gè)保險(xiǎn)，當(dāng)防護(hù)電路短路失效時(shí)主回路供電會(huì)同時(shí)斷開，b電路中主回路和防護(hù)電路有各自的保險(xiǎn)，當(dāng)防護(hù)電路失效時(shí)防護(hù)電路的保險(xiǎn)斷開，主回路仍然能正常工作，但是此時(shí)端口再出現(xiàn)過電壓時(shí)，端口可能會(huì)因?yàn)槭シ雷o(hù)而導(dǎo)致內(nèi)部電路的損壞。兩種電路各有利弊，在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)需要選用。無饋電的信號(hào)線路、天饋線路的保護(hù)采用保險(xiǎn)管的必要性不大。

1主回路保險(xiǎn)；輸入 ;「防護(hù)器件丨1主回路保險(xiǎn)；輸入 ;「防護(hù)器件丨圖4-5保險(xiǎn)應(yīng)用的兩個(gè)例子保險(xiǎn)管的特性主要有：額定電流、