第6章 瞬態(tài)騷擾抑制

第6章瞬態(tài)騷擾抑制6.1

電網(wǎng)中的傳導(dǎo)騷擾6.2

開關(guān)操作騷擾及其抑制6.3

機電裝置的電磁騷擾及其抑制6.4

浪涌及其抑制6.5

靜電放電防護6.1電網(wǎng)中的傳導(dǎo)騷擾電網(wǎng)和電路中經(jīng)常出現(xiàn)一些瞬態(tài)騷擾，如開關(guān)操作、雷擊浪涌、靜電放電等，采用時域方法描述比較方便。電網(wǎng)中存在各種傳導(dǎo)騷擾，主要有電源中斷、頻率偏移、電壓跌落、浪涌，電壓噪聲、諧波、瞬變等。對于這些騷擾，依嚴(yán)重程度可采取不同的方法加以抑制，且大體可利用專用供電線路、不間斷電源、穩(wěn)壓電源、隔離變壓器、電源濾波器、瞬態(tài)騷擾抑制電路等。采取什么抑制策略？

IBM公司在1974年對計算機故障的一項研究表明，在電源干擾的統(tǒng)計分析中，振蕩瞬變占49%，脈沖干擾占39.5%，這兩項是電源干擾的主要原因，其它的還有電壓跌落占11.5%，電源中斷占0.5%。電網(wǎng)中的開關(guān)操作、負(fù)載切換及各種故障都會使電網(wǎng)發(fā)生瞬變過程，產(chǎn)生各種瞬變電壓,對于持續(xù)時間大于8.4ms的瞬變電壓，人們通常將其稱為浪涌。6.2

開關(guān)操作騷擾及其抑制※開關(guān)的觸點在斷開和閉合過程中會產(chǎn)生電弧，在電路和空間中產(chǎn)生電磁騷擾，并對接到同一電網(wǎng)中或附近的其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。6.2.1

開關(guān)斷開過程中瞬態(tài)騷擾的形成開關(guān)斷開瞬間，負(fù)載電感中的電流不能突變，電感中儲存的磁場能量轉(zhuǎn)化為電能對分布電容進行充電，并以電場能量的形式儲存到電容中。負(fù)載兩端的電壓峰值達到，然后，電容又在回路中放電，產(chǎn)生反向電流，電場能量轉(zhuǎn)化為磁場能量。這樣，電路中的電磁能量會不斷地進行充電、放電，產(chǎn)生振蕩，由于負(fù)載電阻的能量消耗，這一振蕩過程是衰減振蕩。

電壓峰值振蕩頻率開關(guān)觸點剛打開瞬間，觸點距離很近，較低的電壓就能擊穿觸點間的空氣，形成電弧，分布電容儲存的電荷會迅速釋放；電弧結(jié)束后，負(fù)載電感恢復(fù)對電容充電，當(dāng)電壓達到擊穿電壓時又產(chǎn)生電弧，如此反復(fù)，形成一組脈沖波。隨著開關(guān)打開，觸點間距不斷增大，所需的擊穿電壓不斷增高，直至無法擊穿。在這一系列充電、放電過程中，放電電流具有很高頻率的頻譜分量，向周圍產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射發(fā)射；瞬態(tài)電壓作用于與該設(shè)備使用同一電源的其他用電設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。6.2.2

開關(guān)操作瞬態(tài)騷擾的抑制可在感性負(fù)載兩端或開關(guān)觸點兩端采取抑制措施，也可以兩種方法同時采用，具體措施應(yīng)根據(jù)實際情況而定。1．對感性負(fù)載的處理在負(fù)載兩端采取措施給感性負(fù)載提供續(xù)流通路，減小感性負(fù)載對電容的充電作用，降低負(fù)載兩端電壓，并消耗電路中的能量，使這一瞬態(tài)過程迅速衰減。

(1)在負(fù)載兩端反向并聯(lián)二極管.

瞬變電壓最低，但線路中電流衰減很慢。

(2)反向并聯(lián)二極管并串入電阻.

電流衰減加快了，但瞬變電壓增大。串聯(lián)電阻值要適中。

(3)在負(fù)載兩端并聯(lián)電容.

瞬變電壓幅度大降低,串聯(lián)電阻是為消耗功率，使振蕩很快衰減。

(4)在負(fù)載兩端并聯(lián)電阻.

簡單，但正常工作時有附加能量損耗。

(5)并聯(lián)一對反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管.

穩(wěn)壓管鉗位限制負(fù)載電壓繼續(xù)升高，穩(wěn)壓管消耗功率，縮短了瞬變過程。

(6)在負(fù)載兩端并聯(lián)壓敏電阻.

壓敏電阻承受高瞬變電壓時，等效電阻變小，為負(fù)載電流提供續(xù)流通路。上述方法中，(1)和(2)只能用于直流電路，(3)-(6)既可用于直流電路，也可用于交流電路。2．對開關(guān)觸點的處理給開關(guān)提供一個分流通路，抑制開關(guān)的觸點電壓，從而避免形成電弧。

(1)在觸點兩端并聯(lián)阻容支路.

開關(guān)斷開時，由于電容的作用，限制了觸點電壓的上升速度和最大值；當(dāng)開關(guān)閉合時，電容經(jīng)開關(guān)放電，由于電阻的作用，限制了放電電流，電容應(yīng)大于一定值，電阻取值要折衷考慮。

(2)在阻容支路的電阻上并聯(lián)二極管.

開關(guān)斷開瞬間，負(fù)載電流經(jīng)二極管對電容充電；當(dāng)開關(guān)閉合時，電容儲能經(jīng)電阻對開關(guān)放電。

(3)在觸點兩端并聯(lián)穩(wěn)壓管.

穩(wěn)壓管的鉗位作用限制觸點電壓的進一步增大。上述方法中，(1)既可用于直流電路，也可用于交流電路，(2)和(3)則只能用于直流電路。1．電磁騷擾產(chǎn)生的原因

電動工具、家用電器等產(chǎn)品，使用直流電動機、交流動電機、電磁閥等機電裝置將電能轉(zhuǎn)化為機械運動，這些裝置會產(chǎn)生電磁騷擾。有刷電動機產(chǎn)生的電磁騷擾是主要由于電動機換向時產(chǎn)生的電弧而形成的。

無刷電動機、電磁閥等的繞組與其金屬外殼之間有較大的寄生電容，如果裝置外殼接地，可以提供了一個很好的共模電流通路，在高頻/瞬態(tài)電壓作用下會產(chǎn)生共模騷擾。6.3

機電裝置的電磁騷擾及其抑制2．電磁騷擾的抑制

(1)從有刷電動機產(chǎn)生電弧的原因入手。選用優(yōu)質(zhì)炭刷，使炭刷與換向片之間保持可靠接觸、開合正常，使換向器表面光潔，保持炭刷對換向器的適當(dāng)壓力，且壓力均勻，使電動機的機座可靠固定以減小運轉(zhuǎn)時的振動。還可以在電機的換向片間并聯(lián)電容或電阻。

(2)抑制騷擾傳播的路徑。并聯(lián)電容，為騷擾源提供一條低阻抗的通路，使騷擾電流旁路掉，并抑制產(chǎn)生的尖峰電壓；

使用鐵氧體環(huán)或磁珠，利用其高阻抗特性阻斷共模通路，以抑制共模騷擾，且鐵氧體環(huán)或磁珠與差模電容構(gòu)成差模濾波器。1．浪涌抑制器件電氣、電子設(shè)備可能由于雷擊、運行操作中的過電壓，而承受浪涌電壓（電流），必須采用浪涌抑制器件構(gòu)成保護電路加以抑制。將浪涌抑制器件與被保護電路或設(shè)備并聯(lián)，以便對超過電路或設(shè)備承受能力的過電壓進行限幅、過電流進行分流，使浪涌能量得到泄放。常用的浪涌抑制器件有電火花隙、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管等。6.4

浪涌及其抑制

(1)電火花隙有兩個或三個電極，可分別用于線間或線間及對地的浪涌保護。

當(dāng)浪涌電壓超過電火花隙的擊穿電壓時，間隙就會被擊穿，產(chǎn)生電弧，電極間電壓迅速下降，電極間電阻也由109-1010Ω下降到0.1Ω左右，阻止了浪涌電壓的繼續(xù)升高，實現(xiàn)對設(shè)備的保護，當(dāng)電火花隙中的電流低于電弧的維持電流時，電火花隙恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。電火花隙有真空和氣體兩類，真空電火花隙擊穿電壓高，一般為1kV-1MV，而充氣電火花隙（氣體放電管）擊穿電壓則一般為0.1kV-1kV，多用充氣電火花隙作浪涌保護器件。氣體放電管絕緣電阻很高（109-1010Ω），固有電容很?。?-7pF），可用于較高頻率的電路，它吸收沖擊電流的能力很強（可超過50kA），但擊穿電壓較高（0.1kV-1kV），響應(yīng)較慢（約100ns），適合于做第一級高電壓、大電流的瞬態(tài)保護。

(2)金屬氧化物壓敏電阻由金屬氧化物（主要是氧化鋅）材料制成，它屬于鉗位型器件，特性與兩只背對背聯(lián)接的穩(wěn)壓管非常相似。當(dāng)壓敏電阻承受高瞬態(tài)電壓時，等效電阻急劇下降，將浪涌能量泄放掉，從而起到電壓鉗位、浪涌防護的目的。壓敏電阻的峰值電流承受能力較大，價格低；但鉗位電壓較高，有較大的動態(tài)電阻，且隨著受到浪涌沖擊次數(shù)增加，漏電增加；壓敏電阻固有電容較大（幾百至幾千皮法），不能用在高頻場合，而較適合于工頻系統(tǒng)，如電源進線的保護、晶閘管的保護等。(3)硅瞬變吸收二極管電壓箝位型器件。鉗位電壓低，有極快的響應(yīng)時間（亞納秒級），適合于超高頻和甚高頻范圍，可保護電路或設(shè)備免受靜電、開關(guān)操作瞬變電壓、雷電感應(yīng)過電壓的損害；但承受的峰值電流較小，價格較貴。2．組合式浪涌保護電路不同的浪涌抑制器件有各自的特點，適用于不同情況：

(1)氣體放電管電流吸收能力大，但響應(yīng)速度低、有后續(xù)電流、離散性大、且電壓分檔少，適合于做第一級粗保護；

(2)壓敏電阻響應(yīng)速度高、可有較大的吸收能力，但固有電容較大，不適合用在高頻電路；

(3)硅瞬變吸收二極管響應(yīng)速度很高、電壓分檔很多，但帶電流負(fù)荷能力較弱，可用于精細(xì)保護。

應(yīng)結(jié)合各種抑制器件的特點，取長補短，以達到響應(yīng)快、限壓低、泄放能力強的目的。典型的組合式浪涌保護電路，有三級保護，理想工作情況是：

①當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)浪涌電壓時，硅瞬變吸收二極管首先動作，使過壓不能進入負(fù)載；②隨著電流的增大，在硅瞬變吸收二極管燒毀前，換流到壓敏電阻；③在壓敏電阻的吸收能力達到極限前，再換流到氣體放電管。為實現(xiàn)依次保護的目的，在組合電路的級與級之間串聯(lián)限電流電感。

兩種不同介質(zhì)互相摩擦后會產(chǎn)生靜電，靜電感應(yīng)也會產(chǎn)生靜電。帶正負(fù)電荷的導(dǎo)體相接觸時，會產(chǎn)生短路放電電流，帶電導(dǎo)體間的電壓超過間隔空氣或絕緣介質(zhì)的擊穿電壓時，會產(chǎn)生電弧，形成電弧電流。靜電放電的模型：

為控制靜電放電，可從三個方面入手：

①阻止靜電荷的生成，②阻止放電，③控制放電電流路徑。

放電電流在0.7ns到10ns的時間內(nèi)，峰值會達到幾十安培，有時甚至?xí)^一百安培。6.5

靜電放電防護

使用的材料分成3類：

導(dǎo)電材料：表面電阻<105Ω/m2

導(dǎo)體材料不易產(chǎn)生靜電，但能夠存儲其他材料產(chǎn)生的靜電荷，并在放電時迅速傳遞電荷；

靜電消耗材料：105Ω/m2<表面電阻<1012Ω/m2,靜電消耗材料因有導(dǎo)電性而不易產(chǎn)生靜電，且表面電阻較大而在放電時不易快速傳遞電荷；

絕緣材料：表面電阻>1012Ω/m2

絕緣材料易產(chǎn)生靜電。為阻止靜電荷的生成，應(yīng)避免兩種絕緣材料的摩擦，至少消除一種絕緣材料；保持工作環(huán)境中有一定的空氣濕度，為阻止放電，應(yīng)盡量消除存儲電荷和快速傳遞電荷的導(dǎo)體。靜電放電的能量耦合到電子設(shè)備，主要有傳導(dǎo)耦合、電場耦合和磁場耦合三種方式。放電電流直接流過敏感電路，便產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合；機殼或電纜中的靜電放電電流產(chǎn)生的電磁場通過耦合電容或互感傳入附近的敏感電路，則是電場耦合或磁場耦合。

抑制靜電放電的騷擾的措施：

(1)改善工作環(huán)境，消除靜電放電的源；

(2)隔離導(dǎo)體，避免產(chǎn)生直接放電；

(3)機殼連成一體并可靠接地，提供分流通路；

(4)減少孔縫，避免放電電磁場竄入；