浪涌電壓抑制器及其應用

浪涌電壓抑制器及其應用

1浪涌電壓

電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產(chǎn)生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾：例如直流6V繼電器線圈斷開時會出現(xiàn)300V～600V的浪涌電壓；接通白熾燈時會出現(xiàn)8～10倍額定電流的浪涌電流；當接通大型容性負載如補償電容器組時，常會出現(xiàn)大的浪涌電流沖擊，使得電源電壓突然降低；當切斷空載變壓器時也會出現(xiàn)高達額定電壓8～10倍的操作過電壓。浪涌電壓現(xiàn)象日趨嚴重地危及自動化設(shè)備安全工作，消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關(guān)系到自動化設(shè)備安全可靠運行的核心問題。現(xiàn)代電子設(shè)備集成化程度在不斷提高，但是它們的抗御浪涌電壓能力卻在下降。在多數(shù)情況下，浪涌電壓會損壞電路及其部件，其損壞程度與元器件的耐壓強度密切相關(guān)，并且與電路中可以轉(zhuǎn)換的能量相關(guān)。

為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動化設(shè)備，必須使出現(xiàn)這種浪涌電壓的導體在非常短的時間內(nèi)同電位均衡系統(tǒng)短接（引入大地）。在其放電過程中，放電電流可以高達幾千安，與此同時，人們往往期待保護單元在放電電流很大時也能將輸出電壓限定在盡可能低的數(shù)值上。因此，空氣火花間隙、充氣式過電壓放電器、壓敏電阻、雪崩二極管、TVS（Transientvoltagesuppressor）、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件，是單獨或以組合電路形式被應用到被保護電路中，因為每個元器件有其各自不同的特性，并且具有不同的性能：放電能力；響應特性；滅弧性能；限壓精度。根據(jù)不同的應用場合以及設(shè)備對浪涌電壓保護的要求，可根據(jù)各類產(chǎn)品的特性來組合出符合應用要求的過電壓保護系統(tǒng)。

2浪涌電壓吸收器

浪涌噪聲常用浪涌吸收器進行抑制，常用的浪涌吸收器有：

（1）氧化鋅壓敏電阻

氧化鋅壓敏電阻是以氧化鋅為主體材料制成的壓敏電阻，其電壓非線性系數(shù)高，容量大、殘壓低、漏電流小、無續(xù)流、伏安特性對稱、電壓范圍寬、響應速度快、電壓溫度系數(shù)小，且具有工藝簡單、成本低廉等優(yōu)點，是目前廣泛使用的浪涌電壓保護器件。適用于交流電源電壓的浪涌吸收、各種線圈、接點間浪涌電壓吸收及滅弧，三極管、晶閘管等電力電子器件的浪涌電壓保護。

（2）R、C、D組合浪涌吸收器

R、C、D組合浪涌吸收器比較適用于直流電路，可根據(jù)電路的特性對器件進行不同的組合，如圖1（a）適用于高電平直流控制系統(tǒng)，而圖1（b）中采用齊納穩(wěn)壓管或雙向二極管，適用于正反向需要保護的電路。

圖1R、C、D浪涌保護器

(a)單向保護(b)雙向保護

圖2TVS電壓（電流）時間特性

（3）瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）

當TVS兩極受到反向高能量沖擊時，它能以10－12s級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達數(shù)kW的浪涌功率，使兩極的電位箝位于預定值，有效地保護自動化設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點，目前被廣泛應用于電子設(shè)備等領(lǐng)域。

①TVS的特性

其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流－時間和電壓－時間曲線。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓Vbr而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。

②TVS與壓敏電阻的比較

目前，國內(nèi)不少需要進行浪涌保護的設(shè)備上應用壓敏電阻較為普遍，TVS與壓敏電阻性能比較如表1所示：

表1TVS與壓敏電阻的比較

3.1三級保護

自動控制系統(tǒng)所需的浪涌保護應在系統(tǒng)設(shè)計中進行綜合考慮，針對自動控制裝置的特性，應用于該系統(tǒng)的浪涌保護器基本上可以分為三級，對于自動控制系統(tǒng)的供電設(shè)備來說，需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設(shè)備保護器。數(shù)據(jù)通信和測控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng)電路顯然要靈敏得多，所以必須對數(shù)據(jù)接口電路進行細保護。

自動化裝置的供電設(shè)備的第一級保護采用的是雷擊電流放電器，它們不是安裝在建筑物的進口處，就是在總配電箱里。為保證后續(xù)設(shè)備不承受太高的殘壓，必須根據(jù)被保護范圍的性質(zhì)，在下級配電設(shè)施中安裝過電壓放電器，作為二級保護措施。第三級保護是為了保護儀器設(shè)備，采取的方法是，把過電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動控制系統(tǒng)三級保護布置如圖3所示。在不同等級的放電器之間，必須遵守導線的最小長度規(guī)定。供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過壓放電器之間的距離不得小于10m，過壓放電器同儀器設(shè)備保護裝置之間的導線距離則不應小于5m。

3.2三級保護器件

（1）充有惰性氣體的過電壓放電器是自動控制系統(tǒng)中應用較廣泛的一級浪涌保護器件。充有惰性氣體過電壓放電器，一般構(gòu)造的這類放電器可以排放20kA（8/20μs）或者2.5kA（10/350μs）以內(nèi)的瞬變電流。氣體放電器的響應時間處于ns范圍，被廣泛地應用于遠程通信范疇。該器件的一個缺點是它的觸發(fā)特性與時間相關(guān)，其上升時間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線在幾乎與時間軸平行的范圍里相交。因此保護電平將同氣體放電器額定電壓相近。而特別快的瞬變量將同觸發(fā)曲線在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點相交，也就是說，如果某個氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線路中的殘壓可高達900V。它的另一個缺點是可能會產(chǎn)生后續(xù)電流。在氣體放電器被觸發(fā)的情況下，尤其是在阻抗低、電壓超過24V的電路中會出現(xiàn)下列情況：即原來希望維持幾個ms的短路狀態(tài)，會因為該氣體放電器繼續(xù)保持下去，由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時間內(nèi)爆碎。所以在應用氣體放電器的過電壓保護電路中應該串聯(lián)一個熔斷器，使得這種電路中的電流很快地被中斷。

圖3放電器分布圖

（2）壓敏電阻被廣泛作為系統(tǒng)中的二級保護器件，因壓敏電阻在ns時間范圍內(nèi)具有更快的響應時間，不會產(chǎn)生后續(xù)電流的問題。在測控設(shè)備的保護電路中，壓敏電阻可用于放電電流為2.5kA～5kA（8/20μs）的中級保護裝置。壓敏電阻的缺點是老化和較高的電容問題，老化是指壓敏電阻中二極管的P?N部分，在通常過載情況下，P?N結(jié)會造成短路，其漏電流將因此而增大，其值的大小取決于承載的頻繁程度。其應用于靈敏的測量電路中將造成測量失真，并且器件易發(fā)熱。壓敏電阻大電容問題使它在許多場合不能應用于高頻信息傳輸線路，這些電容將同導線的電感一起形成低通環(huán)節(jié)，從而對信號產(chǎn)生嚴重的阻尼作用。不過，在30kHz以下的頻率范圍內(nèi)，這一阻尼作用是可以忽略的。

（3）抑制二極管一般用于高靈敏的電子電路，其響應時間可達ps級，而器件的限壓值可達額定電壓的1.8倍。其主要缺點是電流負荷能力很弱、電容相對較高，器件自身的電容隨著器件額定電壓變化，即器件額定電壓越低，電容則越大，這個電容也會同相連的導線中的電感構(gòu)成低通環(huán)節(jié)，而對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號頻率相關(guān)。