三浪涌通過(guò)防護(hù)器件的電壓對(duì)比

一引言

雷擊是指帶電云層之間或帶電云層和地面之間相互靠近產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)象。這個(gè)放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃電和巨大的聲線，并隨著大量的能量傳遞。雷擊對(duì)電子設(shè)施具有災(zāi)害破壞。雷擊浪涌沖擊波可通過(guò)戶外傳輸線路、設(shè)備間的連接線以及電力線侵入設(shè)備，使串接在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。雷擊大地或接地導(dǎo)體，引起局部瞬間電位上升，波及附近的電子設(shè)備，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生沖擊，損害其對(duì)地絕緣。

二浪涌防護(hù)器件

由于浪涌脈沖的脈寬較寬，低通濾波器對(duì)它的作用很有限，一般采用專門的浪涌抑制器件對(duì)它進(jìn)行抑制。浪涌抑制器件的一個(gè)共同特性就是阻抗在有浪涌電壓與沒(méi)浪涌電壓時(shí)不同，正常電壓下，它的阻抗很高，對(duì)電路的工作沒(méi)有影響，當(dāng)有很高的浪涌電壓加在它上面時(shí)，它的阻抗變得很低，將浪涌能量旁路掉。常用的浪涌抑制器件有壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管（TVS二極管）和氣體放電管，這些器件都具有圖2所示的特性，當(dāng)浪涌電壓超過(guò)一定值時(shí)，流過(guò)它們的電流突然增加，這表示它們的阻抗突然變得很低。這類器件的使用方法是并聯(lián)在線路與參考地之間，當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時(shí)，它們迅速導(dǎo)通，從而將電壓幅度限制在一定的值，保護(hù)后端電路，如圖2所示。

1.壓敏電阻

壓敏電阻是一種在由氧化鋅顆粒壓制而成的片子上焊接上引線，然后用絕緣材料封裝而成的器件。當(dāng)流過(guò)壓敏電阻的浪涌電流增加時(shí)，它的電阻會(huì)減小，能夠?qū)㈦妷恒Q制在一定的數(shù)值，但是由于壓敏電阻的電阻降低并不是與流過(guò)的電流成完全的反比關(guān)系，因此，它上面的電壓隨著電流增加會(huì)有所增加。

壓敏電阻中的氧化鋅顆粒之間構(gòu)成了類似于PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，具有二極管的特性。整個(gè)壓敏電阻相當(dāng)于大量的二極管并聯(lián)和串聯(lián)。由于有些PN結(jié)是正向偏置，有些是反向偏置的，因此，壓敏電阻的特性是雙向的，類似于兩個(gè)背靠背的二極管。

顯然，串聯(lián)的PN結(jié)越多，壓敏電阻的導(dǎo)通電壓越高。因此，壓敏電阻器件的厚度決定了它的導(dǎo)通電壓。并聯(lián)的PN結(jié)越多，壓敏電阻承受電流的能力越強(qiáng)，因此，壓敏電阻的面積決定了它的承受電流能力。

壓敏電阻的一個(gè)缺點(diǎn)是鉗位電壓不是一個(gè)確定的數(shù)值，而是與流過(guò)壓敏電阻的電流有關(guān)，壓敏電阻上的電壓（一般稱為鉗位電壓）等于流過(guò)壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值，流過(guò)壓敏電阻的電流越大，壓敏電阻上的電壓越高，壓敏電阻上的電壓在浪涌電流的峰值處達(dá)到最高，這個(gè)電壓會(huì)超過(guò)交流電峰值的30%。因此，壓敏電阻的保護(hù)效果較差。

壓敏電阻的另一個(gè)缺點(diǎn)是，有些顆粒在遭受浪涌的沖擊后會(huì)被損壞，呈現(xiàn)短路狀態(tài)，這時(shí)相當(dāng)于串聯(lián)的PN結(jié)減少了，因此整個(gè)壓敏電阻的導(dǎo)通電壓值就會(huì)降低。當(dāng)壓敏電阻的導(dǎo)通電壓低于電源的峰值電壓時(shí)，電源的功率電流就會(huì)流過(guò)壓敏電阻，使壓敏電阻過(guò)熱而損壞，可能會(huì)發(fā)生爆炸，造成安全問(wèn)題，因此一般不建議使用壓敏電阻。

2.瞬態(tài)抑制二極管

瞬態(tài)抑制二極管（TVS）是一種廣泛應(yīng)用在信號(hào)線上的浪涌保護(hù)器件。

TVS的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短、鉗位電壓低（相對(duì)于工作電壓）。但是由于所有功率都耗散在二極管的PN結(jié)上，因此它所承受的功率值較小，允許流過(guò)的電流較小。

一般TVS的寄生電容較大，如在高速數(shù)據(jù)線上使用，要用特制的低電容器件，但是低電容器件的額定功率往往較小，僅適合于浪涌能量較小的場(chǎng)合。如果浪涌能量較大，要與其他大功率浪涌抑制器件一同使用，TVS作為后級(jí)防護(hù)。

3.氣體放電管

氣體放電管是一種常用的浪涌保護(hù)器件，如圖所示。氣體放電管的工作原理是利用金屬電極之間的放電特性。也就是，當(dāng)金屬電極之間的電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，電極之間的氣隙會(huì)發(fā)生擊穿，形成通路，這個(gè)通路的電阻很低，接近短路，因此可以旁路掉浪涌電壓的能量。氣體放電管有兩極的和三極的兩種，三極的氣體放電管實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)氣體管封裝在一個(gè)容器內(nèi)。

電極之間的擊穿有兩種機(jī)理，一種是氣體的電離現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是，當(dāng)加在氣體上的電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，氣體中的自由電子或離子會(huì)獲得足夠能量，撞擊其他原子或分子，產(chǎn)生更多的自由電子和離子，形成導(dǎo)電氣體，這種狀態(tài)稱為氣體電離。當(dāng)電極之間的氣體發(fā)生電離時(shí)，會(huì)發(fā)生一種能自行維持的輝光放電過(guò)程，這時(shí)只需要較低電壓就能維持其電離狀態(tài)。這個(gè)維持電壓與觸點(diǎn)的距離無(wú)關(guān)，在空氣中大約為300V。另外，為了維持導(dǎo)通，還需要一個(gè)最小電流，通常為幾毫安。

電極之間的擊穿導(dǎo)通還有另一種機(jī)理，這就是電弧放電。這種現(xiàn)象的機(jī)理是，金屬表面的自由電子在外部場(chǎng)強(qiáng)的作用下，會(huì)被拉到空間，脫離金屬表面的約束，成為空間的自由電子。電子離開金屬表面后，在外界電場(chǎng)的作用下從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陽(yáng)極后，使電極局部溫度很高，這可能使金屬升華，形成了一個(gè)金屬氣體橋，這就是弧光放電。一旦形成了金屬氣體橋，僅需很低的電壓和電流就能夠維持弧光放電的過(guò)程，一般維持電壓為10~30V，維持電流為1A。而誘發(fā)弧光放電需要的場(chǎng)強(qiáng)大約為5kV/cm。

氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)是能夠承受較大的電流，氣體放電管的通流能力與管徑有關(guān)，管徑越大，通流能力越大。氣體放電管的質(zhì)量問(wèn)題主要表現(xiàn)為慢性漏氣、長(zhǎng)時(shí)間使用的可靠性問(wèn)題（即遭受多次雷電沖擊后，直流擊穿電壓值發(fā)生偏移）、光敏效應(yīng)和離散性較大。

另外，由于維持它導(dǎo)通所需要的電壓很低，因此當(dāng)浪涌電壓過(guò)后，只要加在氣體放電管上的電壓高于維持電壓，它就會(huì)保持導(dǎo)通。在交流場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，只有當(dāng)交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí)，它才會(huì)斷開，因此會(huì)有一定的跟隨電流，由于跟隨電流的時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致放電管觸點(diǎn)迅速燒毀，縮短放電管的壽命。由于氣體放電管的這種特性，它不適合于用在電壓值較高的直流場(chǎng)合，這時(shí)可能會(huì)發(fā)生電弧斷不開的情況，引起電源保護(hù)裝置動(dòng)作。

4.浪涌防護(hù)器件特性對(duì)比

圖7 浪涌防護(hù)器件特性對(duì)比

三浪涌通過(guò)防護(hù)器件的電壓對(duì)比

可以對(duì)比出三者的導(dǎo)通電壓瞬態(tài)抑制二極管最小、壓敏電阻次之、氣體放電管最大而且殘壓高，由于壓敏電阻和氣體放電管的通流容量大，因此比較適用于一級(jí)防護(hù)，而瞬態(tài)抑制器的響應(yīng)速度快、鉗位電壓低，比較適合用于二級(jí)防護(hù)。以上是對(duì)浪涌器件的理解，后期給大家提供一級(jí)防護(hù)、二級(jí)防護(hù)、三級(jí)防護(hù)時(shí)防護(hù)器件的選型和如何搭配才能防護(hù)更大的浪涌。

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