防雷電路中元器件

防雷電路中的元器件1.1氣體放電管圖4-1氣體放電管的原理圖符號氣體放電管是一種開關型保護器件，工作原理是氣體放電。當兩極間電壓足夠大時，極間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉化為導電狀態(tài)，類似短路。導電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在20?50V,因此可以起到保護后級電路的效果。氣體放電管的主要指標有：響應時間、直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、絕緣電阻、極間電容、續(xù)流遮斷時間。氣體放電管的響應時間可以達到數(shù)百ns以至數(shù)s,在保護器件中是最慢的。當線纜上的雷擊過電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時，初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓，放電管擊穿導通后兩極間維持電壓下降到20?50V；另一方面，氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護器件合用時應使大部分的過電流通過氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護電路的最前級，其后級的防護電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應時間很快，對后級電路的保護效果更好。氣體放電管的絕緣電阻非常高，可以達到千兆歐姆的量級。極間電容的值非常小，一般在5pF以下，極間漏電流非常小，為nA級。因此氣體放電管并接在線路上對線路基本不會構成什么影響。氣體放電管的續(xù)流遮斷是設計電路需要重點考慮的一個問題。如前所述，氣體放電管在導電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在20?50V,在直流電源電路中應用時，如果兩線間電壓超過15V,不可以在兩線間直接應用放電管。在50Hz交流電源電路中使用時，雖然交流電壓有過零點，可以實現(xiàn)氣體放電管的續(xù)流遮斷，但氣體放電管類的器件在經過多次導電擊穿后，其續(xù)流遮斷能力將大大降低，長期使用后在交流電路的過零點也不能實現(xiàn)續(xù)流的遮斷；還存在一種情況就是如果電流和電壓相位不一致，也可能導致續(xù)流不能遮斷。因此在交流電源電路的相線對保護地線、相線對零線以及相線之間單獨使用氣體放電管都不合適，當用電設備采用單相供電且無法保證實際應用中相線和中線不存在接反的可能性時，中線對保護地線單獨使用氣體放電管也是不合適的，此時使用氣體放電管需要和壓敏電阻串聯(lián)。在交流電源電路的相線對中線的保護中基本不使用氣體放電管。防雷電路的設計中，應注重氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數(shù)值的選取。設置在普通交流線路上的放電管，要求它在線路正常運行電壓及其允許的波動范圍內不能動作，則它的直流放電電壓應滿足：min(u)21.8U。式中u直流擊穿電fdc P fdc壓，min(u)表示直流擊穿電壓的最小值。U為線路正常運行電壓的峰值。fdc P氣體放電管主要可應用在交流電源口相線、中線的對地保護；直流RTN和保護地之間的保護；信號口線對地的保護；天饋口饋線芯線對屏蔽層的保護。氣體放電管的失效模式多數(shù)情況下為開路，因電路設計原因或其它因素導致放電管長期處于短路狀態(tài)而燒壞時，也可引起短路的失效模式。氣體放電管使用壽命相對較短，多次沖擊后性能會下降，同時其他放電管在長時間使用會有漏氣失效這種自然失效的情況，因此由氣體放電管構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。1.2 壓敏電阻圖4-2壓敏電阻的原理圖符號壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。壓敏電阻的響應時間為ns級，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。壓敏電阻的壓敏電壓(min(U))、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流1mA回路中，應當有：min(U)2(1.8?2)U，式中U為回路中的直流額定工作電壓。在交流1mA dc dc回路中，應當有：min(U)2(2.2?2.5)U,式中U為回路中的交流工作電壓的有效值。1mA ac ac上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應用時，有適當?shù)陌踩６?。在信號回路中時，應當有：min(U)2(1.2?1.5)U，式中U為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的1mA max max通流容量應根據(jù)防雷電路的設計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設計的通流容量。壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。壓敏電阻的失效模式主要是短路，當通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會下降。因此由壓敏電阻構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題。1.3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)圖4-3TVS管原理圖TVS(TransientVoltageSuppression)是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現(xiàn)對后級電路的保護。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結電容、響應時間等。TVS的響應時間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應速度都可滿足要求。TVS管的結電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結電容型TVS一般在幾百?幾千pF的數(shù)量級，低結電容型TVS的結電容一般在幾pF?幾十pF的數(shù)量級。一般分立式TVS的結電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應主要選用低結電容的TVS管。TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當通過TVS管的過電流增大時，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細保護的電子電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的，一般用于最末級的精細保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。TVS具有的另一個優(yōu)點是可靈活選用單向或雙向保護器件，在單極性的信號電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在直流回路中，應當有:min（U）2（1.3?1.6）U，式中U為直流TVS的反向擊穿電壓，U是直流回路中的電壓峰值。BR max BR maxTVS管主要可用于直流電源、信號線路、天饋線路的防雷保護。TVS管的失效模式主要是短路。但當通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的使用壽命相對較長。14電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管（TSS）圖4-4 TSS管的原理圖符號電壓開關型瞬態(tài)抑制二極管（TSS,ThyristorSurgeSuppressor）與TVS管相同，也是利用半導體工藝制成的限壓保護器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。當TSS管兩端的過電壓超過TSS管的擊穿電壓時，TSS管將把過電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過TSS管的過電流降到臨界值以下后，TSS恢復開路狀態(tài)。TSS管在響應時間、結電容方面具有與TVS管相同的特點。易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動作后，將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這時二極管的結壓降小，所以用于信號電平較高的線路（例如：模擬用戶線、ADSL等）保護時通流量比TVS管大，保護效果也比TVS管好。TSS適合于信號電平較高的信號線路的保護。在使用TSS管時需要注意的一個問題是：TSS管在過電壓作用下?lián)舸┖?，當流過TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復開路狀態(tài)，因此TSS管在信號線路中使用時，信號線路的常態(tài)電流應小于TSS管的臨界恢復電流。臨界恢復電流值隨TSS管的型號和設計應用場合的不同而不同，使用時應注意在器件手冊中查明所用具體型號的確切值。TSS管的擊穿電壓（min（U））、通流容量是電路設計時應重點考慮的。在信號回路BR中時，應當有：min（U）2（1.2?1.5）U，式中U為信號回路的峰值電壓。BR max maxTSS管較多應用于信號線路的防雷保護。TSS管的失效模式主要是短路。但當通過的過電流太大時，也可能造成TSS管被炸裂而開路。TSS管的使用壽命相對較長。1.5正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)PTC是一種限流保護器件，它有一個動作溫度值Ts，當其本體內溫度低于TS時，其阻值維持基本恒定，這時的阻值稱為冷電阻。當正溫度系數(shù)電阻本體那溫度高于TS時，其阻值迅速增大，可以達到的最大阻值能過比冷電阻值打104咅左右。由于它的阻值可以隨溫度升高而迅速增大，所以一般串聯(lián)于線上用作暫態(tài)大電流的過流保護。PTC在信號線及電源線路上都有應用。PTC反應速度較慢，一般在毫秒級以上，因此它的非線性電阻特性在雷擊過電流通過時基本發(fā)揮不了作用，只能按它的常態(tài)電阻(冷電阻)來估算它的限流作用。熱敏電阻的作用更多的體現(xiàn)在諸如電力線碰觸等出現(xiàn)長時間過流保護的場合，常用于用戶線路的保護中。目前PTC主要有高分子材料PTC和陶瓷PTC兩種，其中陶瓷PTC的過電壓耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC響應速度比陶瓷PTC快。通常陶瓷PTC不能實現(xiàn)低阻值，低阻值的PTC均采用的是高分子的材料。1.6保險管、熔斷器、空氣開關保險管、熔斷器、空氣開關都屬于保護器件，用于設備內部出現(xiàn)短路、過流等故障情況下，能夠斷開線路上的短路負載或過流負載，防止電氣火災及保證設備的安全特性。保險管一般用于單板上的保護，熔斷器、空氣開關一般可用于整機的保護。下面簡單介紹保險管的使用。對于電源電路上由空氣放電管、壓敏電阻、TVS管組成的防護電路，必須配有保險管進行保護，以避免設備內的防護電路損壞后設備發(fā)生安全問題。圖4-5給出了保險應用的兩個例子，其中a電路中防護電路與主回路共用一個保險，當防護電路短路失效時主回路供電會同時斷開，b電路中主回路和防護電路有各自的保險，當防護電路失效時防護電路的保險斷開，主回路仍然能正常工作，但是此時端口再出現(xiàn)過電壓時，端口可能會因為失去防護而導致內部電路的損壞。兩種電路各有利弊，在設計過程中可以根據(jù)需要選用。無饋電的信號線路、天饋線路的保護采用保險管的必要性不大。

1主回路保險；輸入 ;「防護器件丨1主回路保險；輸入 ;「防護器件丨圖4-5保險應用的兩個例子保險管的特性主要有：額定電流、