浪涌電壓基本知識

電路在遭雷擊和在接通、斷開(kāi)電感負載或大型負載時(shí)常常會(huì )產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓，這種瞬時(shí)過(guò)電壓（或過(guò)電流）稱(chēng)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(xiàn)圈斷開(kāi)時(shí)會(huì )出現300V～600V的浪涌電壓；接通白熾燈時(shí)會(huì )出現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(shí)，常會(huì )出現大的浪涌電流沖擊，使得電源電壓突然降低；當切斷空載變壓器時(shí)也會(huì )出現高達額定電壓8～10倍的操作過(guò)電壓。浪涌電壓現象日趨嚴重地危及自動(dòng)化設備安全工作，消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關(guān)系到自動(dòng)化設備安全可靠運行的核心問(wèn)題?，F代電子設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。在多數情況下，浪涌電壓會(huì )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換的能量相關(guān)。

為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動(dòng)化設備，必須使出現這種浪涌電壓的導體在非常短的時(shí)間內同電位均衡系統短接（引入大地）。在其放電過(guò)程中，放電電流可以高達幾千安，與此同時(shí)，人們往往期待保護單元在放電電流很大時(shí)也能將輸出電壓限定在盡可能低的數值上。因此，空氣火花間隙、充氣式過(guò)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(gè)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。根據不同的應用場(chǎng)合以及設備對浪涌電壓保護的要求，可根據各類(lèi)產(chǎn)品的特性來(lái)組合出符合應用要求的過(guò)電壓保護系統。

浪涌電壓吸收器

浪涌噪聲常用浪涌吸收器進(jìn)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(xiàn)性系數高，容量大、殘壓低、漏電流小、無(wú)續流、伏安特性對稱(chēng)、電壓范圍寬、響應速度快、電壓溫度系數小，且具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn)圈、接點(diǎn)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，可根據電路的特性對器件進(jìn)行不同的組合，如圖1（a）適用于高電平直流控制系統，而圖1（b）中采用齊納穩壓管或雙向二極管，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(shí)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(shí)，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(dòng)化設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時(shí)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(diǎn)，目前被廣泛應用于電子設備等領(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結雪崩器件。圖2是TVS的電流－時(shí)間和電壓－時(shí)間曲線(xiàn)。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(zhù)擊穿電流的出現，流過(guò)TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)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(zhù)脈沖電流按指數衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過(guò)程。

②TVS與壓敏電阻的比較

目前，國內不少需要進(jìn)行浪涌保護的設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(dòng)控制系統所需的浪涌保護應在系統設計中進(jìn)行綜合考慮，針對自動(dòng)控制裝置的特性，應用于該系統的浪涌保護器基本上可以分為三級，對于自動(dòng)控制系統的供電設備來(lái)說(shuō)，需要雷擊電流放電器、過(guò)壓放電器以及終端設備保護器。數據通信和測控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統電路顯然要靈敏得多，所以必須對數據接口電路進(jìn)行細保護。

自動(dòng)化裝置的供電設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(jìn)口處，就是在總配電箱里。為保證后續設備不承受太高的殘壓，必須根據被保護范圍的性質(zhì)，在下級配電設施中安裝過(guò)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備，采取的方法是，把過(guò)電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動(dòng)控制系統三級保護布置如圖3所示。在不同等級的放電器之間，必須遵守導線(xiàn)的最小長(cháng)度規定。供電系統中雷擊電流放電器與過(guò)壓放電器之間的距離不得小于10m，過(guò)壓放電器同儀器設備保護裝置之間的導線(xiàn)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(guò)電壓放電器是自動(dòng)控制系統中應用較廣泛的一級浪涌保護器件。充有惰性氣體過(guò)電壓放電器，一般構造的這類(lèi)放電器可以排放20kA（8/20μs）或者2.5kA（10/350μs）以?xún)鹊乃沧冸娏?。氣體放電器的響應時(shí)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(gè)缺點(diǎn)是它的觸發(fā)特性與時(shí)間相關(guān)，其上升時(shí)間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線(xiàn)在幾乎與時(shí)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(xiàn)在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點(diǎn)相交，也就是說(shuō)，如果某個(gè)氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線(xiàn)路中的殘壓可高達900V。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是可能會(huì )產(chǎn)生后續電流。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(guò)24V的電路中會(huì )出現下列情況：即原來(lái)希望維持幾個(gè)ms的短路狀態(tài)，會(huì )因為該氣體放電器繼續保持下去，由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時(shí)間內爆碎。所以在應用氣體放電器的過(guò)電壓保護電路中應該串聯(lián)一個(gè)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中的二級保護器件，因壓敏電阻在ns時(shí)間范圍內具有更快的響應時(shí)間，不會(huì )產(chǎn)生后續電流的問(wèn)題。在測控設備的保護電路中，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(diǎn)是老化和較高的電容問(wèn)題，老化是指壓敏電阻中二極管的P?N部分，在通常過(guò)載情況下，P?N結會(huì )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(wèn)題使它在許多場(chǎng)合不能應用于高頻信息傳輸線(xiàn)路，這些電容將同導線(xiàn)的電感一起形成低通環(huán)節，從而對信號產(chǎn)生嚴重的阻尼作用。不過(guò)，在30kHz以下的頻率范圍內，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(shí)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(diǎn)是電流負荷能力很弱、電容相對較高，器件自身的電容隨著(zhù)器件額定電壓變化，即器件額定電壓越低，電容則越大，這個(gè)電容也會(huì )同相連的導線(xiàn)中的電感構成低通環(huán)節，而對數據傳輸產(chǎn)生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號頻率相關(guān)。