浪涌保護器原理及應用

近年來，隨著微電子技術的長足進步，個人PC、各類中型、大型及超大型計算機、大型程控交換機的運用越來越普及。由于這類電子設備內(nèi)部有大量的對過電壓十分敏感的大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，從而使由過電壓造成的損失越來越大。針對這種現(xiàn)狀，《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）中加入了第六章——防雷擊電磁脈沖的內(nèi)容。根據(jù)這一要求，一些生產(chǎn)廠家也推出了相應的過電壓保護產(chǎn)品，也就是我們現(xiàn)在常說的浪涌保護器（Surge Protective DeviceSPD）。要保護電氣和電子系統(tǒng)重要的是在電磁兼容性保護區(qū)內(nèi)設置一套包括全部有源導線在內(nèi)的完整的等電位聯(lián)結系統(tǒng)。不 。不同種類的過電壓保護裝置中放電元器件的物理特性在實際應用中既有優(yōu)點，亦有缺點，因此采用多種元件組合的保護電路運用得更為廣泛。
 
但是，能滿足具有當代技術水平的，能傳導10/350μs脈沖電流的雷擊電流放電器，用于二次配電的可插式浪涌保護器，電器電源保護裝置直到電源濾波器所有技術要求的產(chǎn)品系列卻是極為少見的。同樣這種產(chǎn)品系列應該包括適用于所有的電路，即除電源外，還應包括用于測量、控制、調(diào)節(jié)技術電路和電子數(shù)據(jù)處理傳輸電路以及適用于無線和有線通訊的放電器，以便客戶使用。
 
本文將對目前常用的幾種浪涌保護器產(chǎn)品做簡單的介紹并對其特性及適用場合做簡略分析。

1 等電位聯(lián)結系統(tǒng)

過電壓保護的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的瞬間（微秒或納秒級），在被保護區(qū)域內(nèi)的所有金屬部件之間應實現(xiàn)一個等電位。“等電位是用連接導線或過電壓保護器將處在需要防雷的空間內(nèi)的防雷裝置、建筑物的金屬構架、金屬裝置、外來的導體物、電氣和電訊裝置等連接起來。”（《建筑物防雷設計規(guī)范條文說明》）（GB50057-94）。“等電位聯(lián)結的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差”（IEC1312 3.4）。《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057-94）中規(guī)定：“第3.1.2條裝有防雷裝置的建筑物，在防雷裝置與其他設施和建筑物內(nèi)人員無法隔離的情況下，應采取等電位聯(lián)結。”在建立這個等電位聯(lián)結網(wǎng)絡時，應注意使相互之間必須進行信息交換的電器和電子設備與等電位聯(lián)結帶之間的連接導線保持zui短距離。
 
根據(jù)感應定理，電感量越大，瞬變電流在電路中產(chǎn)生的電壓越高;（U=L·di/dt）電感量大小主要和導線的長度有關，與導線截面關系不大。因此，應使接地導線盡可能的短。多條導線的并聯(lián)連接可顯著地降低電位補償系統(tǒng)的電感量。為了將這兩條付諸實踐，理論上可以把應與等電位聯(lián)結裝置連在一起的所有電路和設備連在同一塊金屬板上。基于金屬板的構想在補裝等電位聯(lián)結系統(tǒng)時可采用線狀、星狀或網(wǎng)狀結構。設計新的設備時原則上應只采用網(wǎng)狀的等電位聯(lián)結系統(tǒng)。
 
2 將電源線路與等電位聯(lián)結系統(tǒng)連接

所謂瞬變電壓或瞬變電流意味著其存在時間僅為微秒或毫微秒。浪涌保護的基本原理是：在瞬態(tài)過電壓存在的極短時間內(nèi)，在被保護區(qū)域內(nèi)的所有導電部件之間建立起一個等電位。這種導電部件也包括電路中的電源線。人們需要響應速度快于微秒的元件，對于靜電放電甚至要快于毫微秒。這種元件能夠在極短的時間間隔內(nèi)，將非常強大直到高達數(shù)倍于十千安的電流導出。在預期的雷擊情況下按10/350μs脈沖計算，電流高達50kA。通過完備的等電位聯(lián)結裝置，可以在極短的時間內(nèi)形成一個等電位島，這個等電位島對于遠處的電位差甚至可高達數(shù)十萬伏。但重要的是，在需要保護的區(qū)域內(nèi)，所有導電部件都可認為具有接近相等或*相等的電位，而不存在顯著的電位差。
 

 
壓敏電阻其功能相當于很多與串聯(lián)和并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管，工作原理如同與電壓相關的電阻。電壓超過規(guī)定電壓，壓敏電阻可以導電;電壓低于規(guī)定電壓，壓敏電阻則不導電。這樣壓敏電阻可起到很好的電壓限位作用。壓敏電阻工作極為迅速，響應時間在毫微秒范圍下段。
 
電源上常用的壓敏電阻可輸導極限可達40kA 8/20μs脈沖的電流，因而很適合做電源第二級放電器。但作為雷擊電流放電器則不合適。電子技術委員會IEC 1024-1文獻中記載，要處理脈沖為10/350μs的電荷量，相當于8/20μs脈沖情況下電荷量的20倍。
 
Q（10/350）μs=20×Q（8/20）μs

從這條公式可以看出，不僅要注意放電電流的幅度，而且一定要注意脈沖形式，這是至關重要的，壓敏電阻的缺點是易老化和電容較高，老化是指壓敏電阻內(nèi)的二極管元件被擊穿。由于大多數(shù)情況下P-N結過載時會造成短路，依其負載的頻繁程度，壓敏電阻開始吸引泄漏電流，泄漏電流會在敏感的測試電路中引起測量數(shù)據(jù)誤差，同時，特別是在額定電壓高的電路中，會造成強烈發(fā)熱。
 
壓敏電阻的電容高，使它在很多情況下不能在信號傳輸線路中使用。電容和導線電感形成一個低通電路，會使信號極大地衰減。但頻率大約在30kHz以下的衰減可以忽略不計。