SPD工作原理

    隨著電子科技時代的到來，各家各戶基本上都有必備的電子設備，作為防雷工程師，大家都清楚，電子設備的過壓耐受能力是有限的。如果雷電從戶外的電源線、信號線和各種金屬管線悄悄的侵入到室內，那么很容易造成屋內電子設備的損壞，從而造成一定的經濟損失。隨著這些問題的出現，那么電涌保護器就誕生了。

    電涌保護器(SurgeProtectionDevice，SPD)是基于上述要求設計的電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去也稱為"避雷器"或"過電壓保護器"。電涌保護器的作用是把竄人電力線、信號傳輸線的瞬時過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人地，保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。
    電涌保護器按其工作原理可分為電壓開關型電涌保護器(voltageswitchingtypeSPD)、電壓限制型電涌保護器(voltagelimitingtypeSPD)、復合型電涌保護器(combinationSPD)。開關型電涌保護器是指在沒有電涌過電壓時具有高阻抗，有浪涌電壓時能立即轉變成低阻抗的SPD。電壓開關型電涌保護器常用的元件有放電間隙、氣體放電管和晶閘管等開關元件。這類電涌保護器有時也稱作“短路型SPD”。電壓限制型電涌保護器是指在沒有電涌電壓時具有高阻抗，但是隨著浪涌電流和電壓的上升，其阻抗將持續地減小的電涌保護器。常用的非線性元件是壓敏電阻和瞬態電壓抑制二極管。這類SPD有時也稱作"鉗位型電涌保護器"。復合型電涌保護器是由電壓開關型元件和電壓限制型元件組成，其放電特性表現有電壓開關型和電壓限制型兩者的特點。
　　
　　一、氣體放電管
　　
　　氣體放電管是一種用陶瓷或玻璃封裝且內部充有惰性氣體的短路型保護元件，管體內一般裝有兩個或三個(或更多個)相互隔開的電極。按電極個數來劃分，常將含兩個電極的氣體放電管稱為二極放電管，將含三個電極的氣體放電管稱為三極放電管。圖2-31分別為二極放電管和三極放電管的示意，其中圖2-31(a)為二極放電管，圖2-31(b)為三極放電管，這兩種管子的符號也示于圖中。二極和三極放電管的實物如圖2-32所示

圖2-31  二級和三級放電管的示意

圖2-32  二級和三級放電管實物

　　放電管的保護機理與保護間隙類似，都是利用氣體放電來限制過電壓。當兩電極之間施加的電壓超過氣體的絕緣強度時，間隙將放電擊穿，呈現出短路導通狀態，從而抑制了兩電極之間的過電壓，使得與放電管并聯的電子設備或電子元器件得到保護。圖2-33給出了一平衡線路上采用三極放電管的保護電路，當雷電侵入波過電壓以差模(出現在信號線1和2之間)形式或以共模(分別出現信號線1對地和信號線2對地)形式侵人平衡線路終端電子設備時，三極放電管通過A-G、B-G極間放電即可對過電壓進行抑制。

圖2-33  平衡線路的三級放電管保護電路

　　氣體放電管的優點如下。
　　
　　①通流容量大，從幾安到上千安。
　　
　　②極間電容小，不會使工常傳輸信號畸變，特別適合于高頻電子電路的保護。
　　
　　③開斷后的極間阻抗大，約為109Ω，在正常電壓作用下放電管中的漏電流很小。
　　
　　氣體放電管的缺點如下。
　　
　　①動作響應速度慢(響應時間約為10-6s級)。
　　
　　②放電后開斷比較難，存在續流問題。
　　
　　③使用中存在老化現象，工作壽命比較短。
　　
　　二、壓敏電阻
　　
　　信息系統防雷保護中的常用壓敏電阻是一種以ZnO為主要成分的非線性電阻。在一定溫度下，壓敏電阻的導電性能隨著其兩端電壓的增大而急劇增強。壓敏電阻器的原理結構、符號如圖2-34所示。壓敏電阻器的材料和伏安特性與ZnO避雷器的閥片相同，工作原理和ZnO避雷器也相同，只是壓敏電阻器的體積較小，適用的場合有所不同。
　　
　　

圖2-34壓敏電阻

　　壓敏電阻的技術參數主要有:壓敏電壓(即開關電壓)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，響應時間。
　　
　　壓敏電阻的使用條件有:壓敏電壓，UN≥[(×l.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)。
　　
　　壓敏電阻器的主要優點是:通流能力大;動作響應速度快(響應時間約為10-9s級);在工頻電壓及直流電路中無續流;產品價格低廉;產品電壓和電流的可調范圍大。
　　
　　壓敏電阻器的主要缺點是:寄生電容較大，尤其是高頻情況下，因此壓敏電阻不適于高頻和超高頻電子電路的過電壓保護。
　　
　　在信息系統中，壓敏電阻器通常應用于電子設備電源的初級和次級的保護，也可應用于頻率不高的信號回路的過電壓保護。
　　
　　三、抑制二極管
　　
　　抑制二極管具有鉗位限壓功能，它是工作在反向擊穿區，抑制二極管的伏安特性如圖2-35所示。由于它具有鉗位電壓低和動作響應快的優點，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式I二C此表示。式中"為非線性系數，對于齊納二極管，a=7～9;雪崩二極管，a=5～7。
　　
　　

圖2-35抑制二極管的外形及伏安特性

　　抑制二極管的技術參數主要如下。
　　
　　①額定擊穿電壓它是指在指定反向擊穿電流下的擊穿電壓。齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9～4.7V范圍內，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6～200V范圍內。
　　
　　②最大鉗位電壓它是指管子在通過規定波形的大電流時，其兩端出現的最高電壓。
　　
　　③脈沖功率它是指在規定的電流波形(如10/1000P5)下，管子兩端的最大鉗位電壓與管子中電流等值之積。
　　
　　④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處于弱導通狀態。
　　
　　⑤最大泄漏電流它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過的最大反向電流。
　　
　　⑥響應時間10～11ps。
　　
　　抑制二極管的主要優點是:鉗位電壓低;動作響應速度快(響應時間約為10-9s級);使用中不存在老化現象;承受多次沖擊的能力強;器件產品電壓的可選范圍大。
　　
　　抑制二極管的主要缺點是:通流容量小;管子極間寄生電容隨管子上作用的電壓變化而變化，電壓低時寄生電容較大。
　　
　　在信息系統中，抑制二極管非常適用于半導體器件和電子電路的過電壓保護。
　　
　　四、扼流線圈
　　
　　扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同、匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，實物如圖2-36所示。扼流線圈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。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(如雷電干擾，，而對線路正常傳輸的差模信號無影響。
　　
　　

圖2-36扼流線圈實物

　　這種扼流線圈在制作時應滿足以下要求。
　　
　　①繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。
　　
　　②當線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現飽和。
　　
　　③線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發生擊穿。
　　
　　④線圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的耐受能力。