浪涌保護(hù)器原理及應(yīng)用

近年來，隨著微電子技術(shù)的長足進(jìn)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(shè)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(shè)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(yīng)的過電壓保護(hù)產(chǎn)品，也就是我們現(xiàn)在常說的浪涌保護(hù)器（Surge Protective DeviceSPD）。要保護(hù)電氣和電子系統(tǒng)重要的是在電磁兼容性保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置一套包括全部有源導(dǎo)線在內(nèi)的完整的等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。不 。不同種類的過電壓保護(hù)裝置中放電元器件的物理特性在實際應(yīng)用中既有優(yōu)點，亦有缺點，因此采用多種元件組合的保護(hù)電路運用得更為廣泛。
 
但是，能滿足具有當(dāng)代技術(shù)水平的，能傳導(dǎo)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(hù)器，電器電源保護(hù)裝置直到電源濾波器所有技術(shù)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(yīng)該包括適用于所有的電路，即除電源外，還應(yīng)包括用于測量、控制、調(diào)節(jié)技術(shù)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(hù)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(jié)系統(tǒng)

過電壓保護(hù)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(hù)區(qū)域內(nèi)的所有金屬部件之間應(yīng)實現(xiàn)一個等電位。“等電位是用連接導(dǎo)線或過電壓保護(hù)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(gòu)架、金屬裝置、外來的導(dǎo)體物、電氣和電訊裝置等連接起來。”（《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范條文說明》）（GB50057-94）。“等電位聯(lián)結(jié)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(shè)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(shè)施和建筑物內(nèi)人員無法隔離的情況下，應(yīng)采取等電位聯(lián)結(jié)。”在建立這個等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)注意使相互之間必須進(jìn)行信息交換的電器和電子設(shè)備與等電位聯(lián)結(jié)帶之間的連接導(dǎo)線保持zui短距離。
 
根據(jù)感應(yīng)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(dǎo)線的長度有關(guān)，與導(dǎo)線截面關(guān)系不大。因此，應(yīng)使接地導(dǎo)線盡可能的短。多條導(dǎo)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(yīng)與等電位聯(lián)結(jié)裝置連在一起的所有電路和設(shè)備連在同一塊金屬板上。基于金屬板的構(gòu)想在補裝等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)時可采用線狀、星狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計新的設(shè)備時原則上應(yīng)只采用網(wǎng)狀的等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。
 
2 將電源線路與等電位聯(lián)結(jié)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(hù)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(hù)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立起一個等電位。這種導(dǎo)電部件也包括電路中的電源線。人們需要響應(yīng)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(dá)數(shù)倍于十千安的電流導(dǎo)出。在預(yù)期的雷擊情況下按10/350μs脈沖計算，電流高達(dá)50kA。通過完備的等電位聯(lián)結(jié)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(yuǎn)處的電位差甚至可高達(dá)數(shù)十萬伏。但重要的是，在需要保護(hù)的區(qū)域內(nèi)，所有導(dǎo)電部件都可認(rèn)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(dāng)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(guān)的電阻。電壓超過規(guī)定電壓，壓敏電阻可以導(dǎo)電;電壓低于規(guī)定電壓，壓敏電阻則不導(dǎo)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(yīng)時間在毫微秒范圍下段。
 
電源上常用的壓敏電阻可輸導(dǎo)極限可達(dá)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(shù)委員會IEC 1024-1文獻(xiàn)中記載，要處理脈沖為10/350μs的電荷量，相當(dāng)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(guān)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(jié)過載時會造成短路，依其負(fù)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(dǎo)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。