浪涌保護(hù)器工作原理

浪涌保護(hù)器工作原理

引言

在配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時，您可能購買的一個標(biāo)準(zhǔn)元件將是浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器的大部分設(shè)計(jì)都能提供一個非常明顯的功能——允許多個元件共用一個電源插座。因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)是由各種不同的元件組成的，所以浪涌保護(hù)器確實(shí)是一個非常有用的裝置。

但是帶有浪涌保護(hù)器的電源板的另一個功能——保護(hù)計(jì)算機(jī)中電子設(shè)備免受電源浪涌的損害——要重要得多。在本文中，我們將了解浪涌保護(hù)器（也稱為浪涌抑制器），揭示其作用、適用情況和工作效果。此外，我們還將介紹它能提供何種水平的保護(hù)，為什么即使您使用了優(yōu)質(zhì)浪涌保護(hù)器，也可能得不到需要的所有保護(hù)。

浪涌基本知識

浪涌保護(hù)器系統(tǒng)的主要作用是保護(hù)電子設(shè)備免受“浪涌”的損害。因此，如果您想知道浪涌保護(hù)器的作用，就需要弄清楚兩個問題：什么是浪涌？電子設(shè)備為什么需要它們的保護(hù)？

電涌或瞬變電壓是指電壓在電能流動的過程中大幅超過其額定水平。在美國，一般家庭和辦公環(huán)境配線的標(biāo)準(zhǔn)電壓是120伏。如果電壓超過了120伏，就會產(chǎn)生問題，而浪涌保護(hù)器有助于防止該問題損壞計(jì)算機(jī)。

為了澄清這一問題，了解一些有關(guān)電壓的知識會很有幫助。電壓是一種表示電勢能差額的度量單位。電流能夠從一點(diǎn)流到另一點(diǎn)，是因?yàn)殡娋€一端的電勢能比另一端的電勢能大。這與水在壓力下流出水管的原理相似——水管一端的高壓推動著水流向壓力較低的區(qū)域。因此，您可以將電壓看作是電壓力的度量單位。

我們稍后將了解到，有各種因素可以引起電壓的短暫上升。

• 當(dāng)電壓增加持續(xù)三毫微秒（十億分之一秒）或更長時間時，被稱為浪涌。
• 當(dāng)電壓增加僅持續(xù)一毫微秒或兩毫微秒時，被稱為尖峰。

如果浪涌或尖峰電壓足夠高，它就可能對計(jì)算機(jī)造成某種嚴(yán)重?fù)p壞。這種效果與向水管施加過大水壓十分相似。如果水壓過大，水管將會爆裂。如果電線中的電壓過大，也會發(fā)生類似的事情——電線“爆裂”。實(shí)際上，它會像電燈泡燈絲一樣發(fā)熱并燒斷，但原理相同。增加的電壓即使不會立即損壞計(jì)算機(jī)，也會使元件過度損耗，長期下來會降低它們的使用壽命。在下一部分中，我們將了解浪涌保護(hù)器如何防止此情況的發(fā)生。

浪涌保護(hù)過程

標(biāo)準(zhǔn)浪涌保護(hù)器會將來自電源插座的電流輸送給電源板上插接的多個電氣和電子設(shè)備。如果產(chǎn)生浪涌或尖峰，使電壓超過了可接受的級別，浪涌保護(hù)器會將多出來的電流轉(zhuǎn)移到電源插座的地線。

在最常見的浪涌保護(hù)器中，都有一個稱為金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）的元件，用來轉(zhuǎn)移多余的電壓。如下圖所示，MOV將火線和地線連接在一起。

MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料，由兩個半導(dǎo)體連接著電源和地線。

這些半導(dǎo)體具有隨著電壓變化而改變的可變電阻。當(dāng)電壓低于某個特定值時，半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動將產(chǎn)生極高的電阻。反之，當(dāng)電壓超過該特定值時，電子運(yùn)動會發(fā)生變化，半導(dǎo)體電阻會大幅降低。如果電壓正常，MOV會閑在一旁。而當(dāng)電壓過高時，MOV可以傳導(dǎo)大量電流，消除多余的電壓。

隨著多余的電流經(jīng)MOV轉(zhuǎn)移到地線，火線電壓會恢復(fù)正常，從而導(dǎo)致MOV的電阻再次迅速增大。按照這種方式，MOV僅轉(zhuǎn)移電涌電流，同時允許標(biāo)準(zhǔn)電流繼續(xù)為與浪涌保護(hù)器連接的設(shè)備供電。打個比方說，MOV的作用就類似一個壓敏閥門，只有在壓力過高時才會打開。

其他浪涌保護(hù)裝置

另一種常見的浪涌保護(hù)裝置是氣體放電管。這些氣體放電管的作用與MOV相同 ——它們將多余的電流從火線轉(zhuǎn)移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。

當(dāng)電壓處于某一特定范圍時，該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍，電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離，從而使氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后它又會變成不良導(dǎo)體。

這兩種方法都是采用并聯(lián)電路設(shè)計(jì)——多余的電壓從標(biāo)準(zhǔn)電路流入另一個電路。有幾種浪涌保護(hù)器產(chǎn)品使用串聯(lián)電路設(shè)計(jì)抑制電涌——它們不是將多余的電流分流到另一條線路，而是通過降低流過火線的電量?；旧险f，這些抑制器在檢測到高電壓時會儲存電能，隨后再逐漸釋放它們。制造這種保護(hù)器的公司解釋說該方法可以提供更好的保護(hù)，因?yàn)樗磻?yīng)速度更快，并且不會向地線分流，但另一方面，這種分流可能會干擾建筑物的電力系統(tǒng)。

作為輔助元件，有些浪涌保護(hù)器還配有內(nèi)置保險絲。保險絲是一種電阻器，當(dāng)電流低于某個標(biāo)準(zhǔn)時，它的導(dǎo)電性能非常好。反之，當(dāng)電流超過了可接受的標(biāo)準(zhǔn)，電阻產(chǎn)生的熱量會燒斷保險絲，從而切斷電路。如果MOV不能抑制電涌，過高的電流將燒斷保險絲，保護(hù)連接的設(shè)備。該保險絲只能使用一次，一旦燒斷就需要更換。

有些浪涌保護(hù)器具有線路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于濾除“線路噪聲”，減小電流波動。這種基本浪涌保護(hù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單。火線通過環(huán)形扼流線圈接到電源板插座上。扼流線圈只是一個用磁性材料做成的環(huán)，外面纏繞著導(dǎo)線——基本的電磁鐵?；鹁€中所流經(jīng)電流的上下波動會給電磁鐵充電，使其發(fā)出電磁能量，從而消除電流的微小波動。這種“經(jīng)過調(diào)節(jié)”的電流更加穩(wěn)定，可使計(jì)算機(jī)（或其他電子設(shè)備）的供電電流更加平緩。

浪涌源

當(dāng)某種裝置在電源線中的某點(diǎn)使電荷激增時，就會產(chǎn)生電涌。這會導(dǎo)致電勢能的增加，從而增大流出壁式電源插座的電流。有很多因素可導(dǎo)致發(fā)生電涌。

最常見的來源大概是閃電，盡管它實(shí)際上很少帶來麻煩。當(dāng)閃電劃過電源線附近時，無論電源線是埋在地下、置于建筑物中還是沿著電線桿延伸，閃電電能都可以增加幾百萬伏的電壓。其帶來的強(qiáng)大電涌將超過幾乎任何浪涌保護(hù)器的承受范圍。在雷電交加的暴風(fēng)雨中，您永遠(yuǎn)不可能依賴?yán)擞勘Ｗo(hù)器來保護(hù)計(jì)算機(jī)，最好的保護(hù)方法就是切斷計(jì)算機(jī)電源。

更常見的電涌源是大功率電氣設(shè)備，例如電梯、空調(diào)和電冰箱。這些大功率設(shè)備在啟動和關(guān)閉壓縮機(jī)和電動機(jī)等部件時需要大量的電能。這種切換操作會產(chǎn)生突然且短暫的電力需求，從而擾亂電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。雖然這些浪涌遠(yuǎn)不如閃電帶來的浪涌強(qiáng)，但是它們的強(qiáng)度也足以立即或逐漸損壞設(shè)備元件，并且它們會在大多數(shù)建筑物電力系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生。

其他電涌源包括錯誤配線、供電公司的設(shè)備問題和電源線老化等等。將電流從發(fā)電機(jī)傳輸?shù)郊彝セ蜣k公環(huán)境的變壓器和線路系統(tǒng)非常復(fù)雜，其中可能會有很多故障點(diǎn)和錯誤會導(dǎo)致電流不穩(wěn)。在今天的配電系統(tǒng)中，電涌的發(fā)生不可避免。在下一部分中，我們將了解這對您來說意味著什么。

是否需要安裝浪涌保護(hù)器

在上一部分中，我們了解到電涌是一種常見現(xiàn)象，在我們目前的家庭和辦公供電系統(tǒng)中是不可避免的。這就產(chǎn)生了一個有趣的問題：如果電涌是電力系統(tǒng)固有的現(xiàn)象，為什么在50年前我們的家庭中就不需要浪涌保護(hù)器呢？

回答是，現(xiàn)代電子設(shè)備（例如，計(jì)算機(jī)、微波爐、DVD播放器）非常復(fù)雜，其中的很多元器件要比以前機(jī)器中的元器件更小和更精密，因此它們對電流的增加更敏感。微處理器是所有計(jì)算機(jī)和許多家用設(shè)備中不可缺少的部件，它們對電涌特別敏感。只有在電壓正常、電流穩(wěn)定的條件下，才能正常工作。

因此，是否應(yīng)該安裝浪涌保護(hù)器取決于連接到電源的設(shè)備種類。

• 沒有理由為電燈泡安裝浪涌保護(hù)器，因?yàn)殡娪靠赡茉斐傻淖顗慕Y(jié)果只是燒斷燈絲。
• 而計(jì)算機(jī)上肯定應(yīng)該使用浪涌保護(hù)器。計(jì)算機(jī)中的電壓敏感元件很容易被電涌損壞。至少，這種損害將會縮短計(jì)算機(jī)的使用壽命，而且會很容易刪除存儲的所有數(shù)據(jù)或損壞系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)是非常昂貴的物品，存儲在里面的數(shù)據(jù)經(jīng)常無法替代，因此最經(jīng)濟(jì)的做法就是購買高品質(zhì)的浪涌保護(hù)器。
• 最好也為其他高端電子設(shè)備（例如，娛樂中心使用的設(shè)備）安裝浪涌保護(hù)器。一般而言，浪涌保護(hù)器可以延長這些設(shè)備的使用壽命。但是，總是有可能出現(xiàn)強(qiáng)大電涌導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞的情況。

浪涌保護(hù)器的一個問題是，一次較強(qiáng)的電涌就可能將MOV燒毀。因此，最好購買帶指示燈的保護(hù)器，以便判斷它是否工作正常。

即使您為所有的電源插座都連接了浪涌保護(hù)器，您的設(shè)備還是有可能受到來自其他電涌源的破壞。電話和電纜線路也可能傳導(dǎo)高電壓——為了獲得充分保護(hù)，您也應(yīng)該防范來自電話或電纜線路的電涌。由于閃電或許多其他因素，任何向家中傳入信號的線路也都有可能帶來電涌。如果計(jì)算機(jī)是通過調(diào)制解調(diào)器連接到電話線的，那么應(yīng)該安裝一個帶電話線輸入插孔的浪涌保護(hù)器。如果同軸電纜線上連接了昂貴的設(shè)備，那么也應(yīng)該考慮使用電纜浪涌保護(hù)器，因?yàn)檫@些線路上產(chǎn)生的電涌與電源線上產(chǎn)生的電涌具有同樣的危害。

浪涌保護(hù)級別

大多數(shù)系統(tǒng)都會存在一些局限。在挑選適合的保護(hù)器系統(tǒng)時，需要全面權(quán)衡系統(tǒng)的成本與數(shù)據(jù)丟失或電子設(shè)備損壞的成本。這就像購買保險一樣，您應(yīng)該找到適合自己的保險范圍。

若要保護(hù)設(shè)備免受浪涌的損害，需要為每個電源插座安裝一個浪涌保護(hù)器。這些電源板的質(zhì)量和容量多種多樣（詳見下一部分）。電源板浪涌保護(hù)器有三個基本等級：

• 基本電源板——這是一些具有五、六個電源插座的基本延長線纜部件。通常，這些型號僅能提供基本的保護(hù)。

• 較好的電源板——在美國，售價在15至25美元之間的電源板浪涌保護(hù)器，具有更好的評級和更多功能。

• 浪涌保護(hù)站——這些大型浪涌保護(hù)器可以安裝在計(jì)算機(jī)下面或地板上。它們可以提供出色的電壓保護(hù)和高級線路調(diào)節(jié)。大部分型號還配有電話線輸入端，用來保護(hù)調(diào)制解調(diào)器免受電涌的損害，并且還可能配備了內(nèi)置電路斷路器。在美國，只需花30美元就能買到一臺這樣的裝置，而較為高級的型號則可能高達(dá)100美元。

• 不間斷電源（UPS）——某些裝置集持續(xù)UPS和浪涌保護(hù)功能于一身。持續(xù)UPS的基本設(shè)計(jì)是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并將其存儲在電池中。隨后，UPS再將電池的直流電轉(zhuǎn)換回交流電，并將其傳輸?shù)浇涣麟姴遄鶠殡娮釉O(shè)備供電。如果出現(xiàn)了停電，計(jì)算機(jī)將依靠存儲在電池中的電源繼續(xù)運(yùn)行。這樣您可以有幾分鐘的時間來保存工作，然后關(guān)閉計(jì)算機(jī)。該轉(zhuǎn)換過程還可以消除來自交流電插座的大部分線路噪聲。在美國，此類裝置的售價一般不低于150美元。

雖然普通UPS能提供高水平的保護(hù)，但您仍然應(yīng)該使用浪涌保護(hù)器。UPS可以使計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離大部分浪涌，但是它本身可能會遭受嚴(yán)重的損害。因?yàn)槲覀兛梢詫⒒纠擞勘Ｗo(hù)器僅用于保護(hù)UPS，這的確是一個好主意。

一旦確定了需要的浪涌保護(hù)級別，您就可以去購買一個合適的浪涌保護(hù)裝置。在下一部分中，我們將了解考慮不同型號的保護(hù)器時應(yīng)該注意哪些問題。

浪涌穩(wěn)定器

您還可以安裝“全住宅”浪涌穩(wěn)定器。通常，這些裝置安裝在電表附近，電源線就是從這里接入建筑物的。這可以保護(hù)家庭或辦公環(huán)境中的所有電路免受特定范圍內(nèi)電壓浪涌的損害。為保護(hù)整個住宅而設(shè)計(jì)的裝置，通常安裝在戶外。較好的浪涌穩(wěn)定器可以處理最大2萬伏的浪涌，而普通電源插座浪涌保護(hù)器只能應(yīng)對6000伏以下的電壓。實(shí)際上，一些高端浪涌穩(wěn)定器還能夠監(jiān)視天氣情況，當(dāng)所在地區(qū)出現(xiàn)閃電時，穩(wěn)定器將停止對比較敏感的電子設(shè)備供電。
全住宅浪涌穩(wěn)定器可抑制因外部因素產(chǎn)生的電涌（如公司供電出現(xiàn)問題、變壓器切換等情況時），但對于住宅內(nèi)由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的大量電涌，它起不到任何作用。-

挑選適當(dāng)?shù)睦擞勘Ｗo(hù)器

購買浪涌保護(hù)器時需要非常小心，因?yàn)槭袌錾铣涑庵罅繋缀醪黄鹑魏巫饔玫漠a(chǎn)品。研究特定的型號是確保買到合適產(chǎn)品的最佳方法，不過仔細(xì)留心幾個質(zhì)量標(biāo)志，也能很好地了解產(chǎn)品的性能級別。

首先，查看價格。從常理來講，不要對那些售價低于10美元的浪涌保護(hù)器抱有太多期望。這些裝置通常采用簡單、低廉的MOV，容量相當(dāng)有限，在出現(xiàn)較大浪涌或尖峰時將不能保護(hù)您的系統(tǒng)。

當(dāng)然，價格高并不能保證質(zhì)量好。在美國，您若要了解設(shè)備的容量，需要查看其美國安全檢測實(shí)驗(yàn)室 （UL）標(biāo)稱值。UL是一個獨(dú)立的非贏利公司，它專門為電氣和電子產(chǎn)品提供安全檢測。如果保護(hù)器沒有UL標(biāo)志，它可能就是一個垃圾產(chǎn)品，甚至根本沒有任何保護(hù)元件。如果它使用的是MOV，這些MOV的質(zhì)量可能會非常低劣。廉價的MOV很容易過熱，進(jìn)而導(dǎo)致整個浪涌保護(hù)器起火。實(shí)際上，這種事經(jīng)常發(fā)生！

當(dāng)然，許多具有UL標(biāo)志的產(chǎn)品也是質(zhì)量低劣的產(chǎn)品，但最起碼您可以確保它們具有一定的保護(hù)能力，可以勉強(qiáng)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。您要確保產(chǎn)品標(biāo)示為瞬變電壓浪涌抑制器。這表示它符合UL 1449標(biāo)準(zhǔn)，即浪涌抑制器的UL最低性能標(biāo)準(zhǔn)。許多帶有UL標(biāo)志的電源板其實(shí)根本就沒有浪涌保護(hù)元件，UL的標(biāo)志只表示它們可以用作延長線纜。

在帶有UL標(biāo)志的浪涌保護(hù)器上，可以發(fā)現(xiàn)幾組標(biāo)稱值。如下所示：

• 箝位電壓——這表示將導(dǎo)致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低，表示保護(hù)性能越好。此UL標(biāo)稱值有三個保護(hù)水平——330伏、400伏和500伏。通常，箝位電壓超過400伏就太高了。
  
• 能量吸收/耗散能力——此標(biāo)稱值表示浪涌保護(hù)器在燒毀前能夠吸收多少能量，單位為焦耳。其數(shù)值越高，保護(hù)性能就越好。您購買的保護(hù)器的這一標(biāo)稱值至少要在200至400焦耳之間。若要獲得更好的保護(hù)性能，應(yīng)該尋找此標(biāo)稱值在600焦耳以上的產(chǎn)品。
  
• 響應(yīng)時間——浪涌保護(hù)器不會立刻斷開；它們對電涌做出響應(yīng)會有略微的延遲。響應(yīng)時間越長，表示計(jì)算機(jī)（或其他設(shè)備）將遭受浪涌的持續(xù)時間越長。請購買響應(yīng)時間低于一毫微秒的浪涌保護(hù)器。

此外，您還應(yīng)該購買具有指示燈的保護(hù)器，以便判斷保護(hù)元件是否在起作用。在遭受多次電涌之后，所有MOV都將會燒毀，但是保護(hù)器仍然會作為一個電源板而工作。沒有電源指示燈，就無法得知保護(hù)器是否仍然在正常工作。

較好的浪涌保護(hù)器可能會提供某種性能保證。如果您要購買比較昂貴的設(shè)備，請?jiān)谟?jì)算機(jī)上尋找?guī)в匈|(zhì)量保證的保護(hù)器。如果該設(shè)備未能保護(hù)計(jì)算機(jī)免受電涌的損害，制造商肯定會為您更換一臺計(jì)算機(jī)。當(dāng)然，這也不能完全保險——仍然有可能丟失硬盤驅(qū)動器上的所有數(shù)據(jù)，這可能會讓您損失慘重——但另一方面，這也是制造商對自己產(chǎn)品有信心的良好表現(xiàn)。

沒有百分之百有效的浪涌保護(hù)器，即使是最高端的線路設(shè)備也可能出現(xiàn)某種嚴(yán)重問題。實(shí)際上，電子學(xué)專家對消除電涌的最佳方法也存在一些分歧，不同的制造商還在相互詬病各自技術(shù)存在的固有缺陷。如果您有興趣了解有關(guān)問題的更多信息，并探討浪涌保護(hù)技術(shù)的固有缺陷，請查看下一頁的鏈接。令人驚訝的是，浪涌保護(hù)器是一項(xiàng)極富爭議的技術(shù)，人們在網(wǎng)上引發(fā)了一輪又一輪的激烈爭論。