電涌保護(hù)器(SPD)的工作原理及結(jié)構(gòu)
電涌保護(hù)器(SPD)的工作原理及結(jié)構(gòu)
電涌保護(hù)器(Surge protection Device)是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過(guò)去常稱為“避雷器”或“過(guò)電壓保護(hù)器”英文簡(jiǎn)寫為SPD。電涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。
電涌保護(hù)器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但它至少應(yīng)包含一個(gè)非線性電壓限制元件。用于電涌保護(hù)器的基本元器件有：放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。
一、SPD的分類：
1．按工作原理分：
?。?）開關(guān)型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)為高阻抗，但一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，其阻抗就突變?yōu)榈椭担试S雷電流通過(guò)。用作此類裝置時(shí)器件有：放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。
（2）限壓型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)為高阻擾，但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性。用作此類裝置的器件有：氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。
?。?）分流型或扼流型
分流型：與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對(duì)正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗。
扼流型：與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對(duì)正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗。
用作此類裝置的器件有：扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長(zhǎng)短路器等?！?BR> 2．按用途分：
（1）電源保護(hù)器：交流電源保護(hù)器、直流電源保護(hù)器、開關(guān)電源保護(hù)器等。
（2）信號(hào)保護(hù)器：低頻信號(hào)保護(hù)器、高頻信號(hào)保護(hù)器、天饋保護(hù)器等。
二、SPD的基本元器件及其工作原理：
1．放電間隙(又稱保護(hù)間隙)：
它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護(hù)設(shè)備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線(PE)相連接，當(dāng)瞬時(shí)過(guò)電壓襲來(lái)時(shí)，間隙被擊穿，把一部分過(guò)電壓的電荷引入大地，避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調(diào)整，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)時(shí)滅弧性能差。改進(jìn)型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動(dòng)力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。
2．氣體放電管：
它是由相互離開的一對(duì)冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，
氣體放電管的技術(shù)參數(shù)主要有：直流放電電壓Udc;沖擊放電電壓Up(一般情況下Up≈(2～3)Udc;工頻而授電流In;沖擊而授電流Ip；絕緣電阻R(>109Ω)；極間電容(1-5PF)
氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：在直流條件下使用：Udc≥1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓）
在交流條件下使用：U dc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)
3．壓敏電阻：
它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，電阻對(duì)電壓十分敏感。它的工作原理相當(dāng)于多個(gè)半導(dǎo)體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點(diǎn)是非線性特性好（I=CUα中的非線性系數(shù)α），通流容量大（～2KA/cm2），常態(tài)泄漏電流?。?0-7～10-6A），殘壓低（取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓響應(yīng)時(shí)間快（～10-8s），無(wú)續(xù)流。
壓敏電阻的技術(shù)參數(shù)主要有：壓敏電壓（即開關(guān)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(yīng)時(shí)間。
壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓：UN≥[（√2×1.2）/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） 壓敏電阻的最大參考電壓應(yīng)由被保護(hù)電子設(shè)備的耐受電壓來(lái)確定，應(yīng)使壓敏電阻的殘壓低于被保護(hù)電子設(shè)備的而損電壓水平，即(Ulma)max≤Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護(hù)設(shè)備的而損電壓。
4．抑制二極管：
抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū)，由于它具有箝位電壓低和動(dòng)作響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作多級(jí)保護(hù)電路中的最末幾級(jí)保護(hù)元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α為非線性系數(shù)，對(duì)于齊納二極管α=7～9，在雪崩二極管α=5～7。
抑制二極管的技術(shù)參數(shù)主要有
（1）額定擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓，這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V范圍內(nèi)，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V～200V范圍內(nèi)。
（2）最大箝位電壓：它是指管子在通過(guò)規(guī)定波形的大電流時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。
?。?）脈沖功率：它是指在規(guī)定的電流波形（如10/1000μs）下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積?！ 。?）反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區(qū)，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。
?。?）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過(guò)的最大反向電流。
（6）響應(yīng)時(shí)間：10～11s
5．扼流線圈：扼流線圈是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，要對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)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(hào)（如雷電干擾），而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無(wú)影響。
這種扼流線圈在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求：
?。?）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
?。?）當(dāng)線圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。
?。?）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
?。?）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力。
6． 1/4波長(zhǎng)短路器
1/4波長(zhǎng)短路器是根據(jù)雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號(hào)電涌保護(hù)器，這種保護(hù)器中的金屬短路棒長(zhǎng)度是根據(jù)工作信號(hào)頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長(zhǎng)的大小來(lái)確定的。此并聯(lián)的短路棒長(zhǎng)度對(duì)于該工作信號(hào)頻率來(lái)說(shuō)，其阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于開路，不影響該信號(hào)的傳輸，但對(duì)于雷電波來(lái)說(shuō)，由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒對(duì)于雷電波阻抗很小，相當(dāng)于短路，雷電能量級(jí)被泄放入地。
由于1/4波長(zhǎng)短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，可達(dá)到30KA（8/20μs）以上，而且殘壓很小，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的，其不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2％～20％左右，另一個(gè)缺點(diǎn)是不能對(duì)天饋設(shè)施加直流偏置，使某些應(yīng)用受到限制。
三、SPD的基本電路
電涌保護(hù)器的電路根據(jù)不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介紹的幾種，一個(gè)技術(shù)精通的防雷產(chǎn)品研究工作者，可設(shè)計(jì)出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結(jié)構(gòu)圖案。研制出既有效又性能價(jià)格比好的產(chǎn)品，是防雷工作者的重任。
電涌保護(hù)器(Surge protection Device)是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過(guò)去常稱為“避雷器”或“過(guò)電壓保護(hù)器”英文簡(jiǎn)寫為SPD。電涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。
電涌保護(hù)器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但它至少應(yīng)包含一個(gè)非線性電壓限制元件。用于電涌保護(hù)器的基本元器件有：放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。
一、SPD的分類：
1．按工作原理分：
?。?）開關(guān)型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)為高阻抗，但一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，其阻抗就突變?yōu)榈椭担试S雷電流通過(guò)。用作此類裝置時(shí)器件有：放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。
（2）限壓型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)為高阻擾，但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性。用作此類裝置的器件有：氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。
?。?）分流型或扼流型
分流型：與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對(duì)正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗。
扼流型：與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對(duì)正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗。
用作此類裝置的器件有：扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長(zhǎng)短路器等?！?BR> 2．按用途分：
（1）電源保護(hù)器：交流電源保護(hù)器、直流電源保護(hù)器、開關(guān)電源保護(hù)器等。
（2）信號(hào)保護(hù)器：低頻信號(hào)保護(hù)器、高頻信號(hào)保護(hù)器、天饋保護(hù)器等。
二、SPD的基本元器件及其工作原理：
1．放電間隙(又稱保護(hù)間隙)：
它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護(hù)設(shè)備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線(PE)相連接，當(dāng)瞬時(shí)過(guò)電壓襲來(lái)時(shí)，間隙被擊穿，把一部分過(guò)電壓的電荷引入大地，避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調(diào)整，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)時(shí)滅弧性能差。改進(jìn)型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動(dòng)力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。
2．氣體放電管：
它是由相互離開的一對(duì)冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，
氣體放電管的技術(shù)參數(shù)主要有：直流放電電壓Udc;沖擊放電電壓Up(一般情況下Up≈(2～3)Udc;工頻而授電流In;沖擊而授電流Ip；絕緣電阻R(>109Ω)；極間電容(1-5PF)
氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：在直流條件下使用：Udc≥1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓）
在交流條件下使用：U dc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)
3．壓敏電阻：
它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，電阻對(duì)電壓十分敏感。它的工作原理相當(dāng)于多個(gè)半導(dǎo)體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點(diǎn)是非線性特性好（I=CUα中的非線性系數(shù)α），通流容量大（～2KA/cm2），常態(tài)泄漏電流?。?0-7～10-6A），殘壓低（取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓響應(yīng)時(shí)間快（～10-8s），無(wú)續(xù)流。
壓敏電阻的技術(shù)參數(shù)主要有：壓敏電壓（即開關(guān)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(yīng)時(shí)間。
壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓：UN≥[（√2×1.2）/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） 壓敏電阻的最大參考電壓應(yīng)由被保護(hù)電子設(shè)備的耐受電壓來(lái)確定，應(yīng)使壓敏電阻的殘壓低于被保護(hù)電子設(shè)備的而損電壓水平，即(Ulma)max≤Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護(hù)設(shè)備的而損電壓。
4．抑制二極管：
抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū)，由于它具有箝位電壓低和動(dòng)作響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作多級(jí)保護(hù)電路中的最末幾級(jí)保護(hù)元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α為非線性系數(shù)，對(duì)于齊納二極管α=7～9，在雪崩二極管α=5～7。
抑制二極管的技術(shù)參數(shù)主要有
（1）額定擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓，這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V范圍內(nèi)，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V～200V范圍內(nèi)。
（2）最大箝位電壓：它是指管子在通過(guò)規(guī)定波形的大電流時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。
?。?）脈沖功率：它是指在規(guī)定的電流波形（如10/1000μs）下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積?！ 。?）反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區(qū)，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。
?。?）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過(guò)的最大反向電流。
（6）響應(yīng)時(shí)間：10～11s
5．扼流線圈：扼流線圈是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，要對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)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(hào)（如雷電干擾），而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無(wú)影響。
這種扼流線圈在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求：
?。?）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
?。?）當(dāng)線圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。
?。?）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
?。?）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力。
6． 1/4波長(zhǎng)短路器
1/4波長(zhǎng)短路器是根據(jù)雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號(hào)電涌保護(hù)器，這種保護(hù)器中的金屬短路棒長(zhǎng)度是根據(jù)工作信號(hào)頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長(zhǎng)的大小來(lái)確定的。此并聯(lián)的短路棒長(zhǎng)度對(duì)于該工作信號(hào)頻率來(lái)說(shuō)，其阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于開路，不影響該信號(hào)的傳輸，但對(duì)于雷電波來(lái)說(shuō)，由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒對(duì)于雷電波阻抗很小，相當(dāng)于短路，雷電能量級(jí)被泄放入地。
由于1/4波長(zhǎng)短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，可達(dá)到30KA（8/20μs）以上，而且殘壓很小，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的，其不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2％～20％左右，另一個(gè)缺點(diǎn)是不能對(duì)天饋設(shè)施加直流偏置，使某些應(yīng)用受到限制。
三、SPD的基本電路
電涌保護(hù)器的電路根據(jù)不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介紹的幾種，一個(gè)技術(shù)精通的防雷產(chǎn)品研究工作者，可設(shè)計(jì)出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結(jié)構(gòu)圖案。研制出既有效又性能價(jià)格比好的產(chǎn)品，是防雷工作者的重任。
