常用防雷元器件性能比较

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常用防雷元器件性能比较

用作限压元件的主要有气体过电压放电器、表面放电器、压敏电阻和二级管以及解耦阻抗器。所有元件都有特殊的优点。为了起到最佳的作用，应该根据具体的应用场合，采用上述元件中的一个或者几个元件的组合来组建相应的保护电路。

气体过电压放电器由一个装在陶瓷或者玻璃管中的电极构造组成。电极之间是惰性气体，如氩气或者氖气。在达到点火电压时，放电元件呈低阻值。点火电压同过电压的陡直程度相关。点火以后过电压放电器上有10至30伏的电弧电压。当放电器处于低阻状态时，会成一个电网后续电流，这个电流的大小同电网的阻抗相关。为了中断电网后续电流，必要时必须串接熔断保险丝。

雷电放电器中的火花隙基于ArC灭弧技术。二个对峙的火花角通过绝缘保持一定的距离。沿开口方向、在电极上面有一块熄弧板。出现过电压时，在绝缘块的上半部进行表面放电。剩余的电弧向外发射，并在熄弧板上碰碎。由此产生的分段电弧将视电网后续电流的大小，在几个千安的范围内安全地被消除。

表面放电间隙是电极之间装有缘材料的放电间隙，有时也称之为表面放电器。表面放电器在使用特殊塑料的基础上，可以在其工作范围内独立地切断电网后续电流。

火花间隙（Arc chopping）

原理为两个形状象牛角的电极，由绝缘材料分开，彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时，电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地。

优点：放电能力强，通流容量大（可做到100KA以上），漏电流小；
缺点：残压高（2～4KV），反应时间慢（≤100ns），有跟随电流（续流）。

金属氧化物压敏电阻（Metal oxside varistor）

该元件在一定温度下，导电性能随电压的增加而急剧增大。它是一种以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻。没有脉冲时呈高阻值状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制到一定值，其阻抗突变为低值。
带温升脱扣装置的块状压敏电阻：压敏电阻是同电压相关的电阻，根据它们的电压／电流特性曲线，这些电阻在残压很低的情况下可以有很大放电能力。

圆片型压敏电阻

抑制二极管的特点是响应时间短（微秒范围）、限位电压低。

　　截止电压ＵＲ是二极管尚能可靠截止的最高电压值。达到导通电压ＵＢ时流过抑制二极管的电流为１毫安。抑制二极管从这个时刻起开始限制过电压。最大钳位电压ＵＣ是指在最大工作电流Ipp时，可能加在抑制二极管上的最大电压。

优点：通流容量大，残压较低，反应时间较快（≤25ns），无跟随电流（续流）；
缺点：漏电流较大，老化速度相对较快。

气体放电管(Gas discharge tube)

　　它是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压惰性气体的短路型保护器件，一般分两电极和三电极两种结构。其基本的工作原理是气体放电。当极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，从而限制了极间的电压，使与放电管并联的其它器件得到保护。

优点：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小；
缺点：残压较高，反应时间慢（≤100ns）， 动作电压精度较低，有跟随电流（续流）。

瞬态抑制二极管（Transient voltage suppressor）

　　亦称齐纳二极管，是一种专门用于抑制过电压的元器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结，该PN结工作在雪崩状态时，具有较强的脉冲吸收能力。

优点：残压低，动作精度高，反应时间快（<1ns），无跟随电流（续流）；
缺点：耐流能力差，通流容量小，一般只有几百安培。

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压敏电阻器产品系列

1.▲ 产品简介
　　
　　氧化锌压敏电阻器是用氧化锌非线性电阻元件作为核心而制成的电冲击保护器件。氧化锌非线性电阻元件是以氧化锌（ZnO）为主体材料，添加多种其他微量元素，用陶瓷工艺制成的化合物半导体元件。它的基本特性是电流—电压关系的非线性。当加在它两端的电压低于某个阈值电压，即“压敏电压”时，它的电阻值极大，为兆欧级；而当加在它两端的电压超过压敏电压后，电阻值随电压的增高急速下降，可小到欧姆级、毫欧姆级。下图表示的是这种非线性伏安特性的典型一例。图中只画了一个方向，氧化锌非线性电阻元件的伏安特性是正反向对称的。
　  
　　上图的这种特性，使得这种元件非常适用于吸收由于雷电、电气系统操作，静电或核磁脉冲产生的冲击过电压，有效地保护各种电气和电子产品，尤其是各种包含有集成电路的信息和控制技术产品。与气体放电管，固体放电管（TVS器件）等其他类型的冲击抑制器件相比，氧化锌压敏电阻器有许多重要特点，

SDR压敏电阻器产品系列

氧化锌压敏电阻器有许多重要特点，

主要是：

● 压敏电压范围宽，单个电阻片为数伏到数千伏

● 响应速度快（ns级）

● 冲击电流耐量和冲击能量大

● 限制电压（残压）低

● 无续流

● 寿命长

● 性价比高
　　这些特点使得氧化锌压敏电阻器成为现代技术中主要的电冲击保护元件，从而被广泛使用于通信、电力、交通、工业控制、汽车电子、医用设备和家用电器中。
SDR压敏电阻器产品系列

2.▲ 术语解释
● 压敏电压：
——指在规定的温度和直流（一般为1mA或0.1mA）下，压敏电阻器两端的电压值。记为V1mA或V0.1mAo
● 最大连续电压：
——指在规定环境温度下，能长期持续加在压敏电阻器两端的最大正弦交流电压有效值或最大直流电压值。
● 限制电压：
——指在压敏电阻器中通过规定大小的冲击电流（8/20μs）时，其两端的最大电压峰值。
● 额定功率：
——指在规定的环境温度下，可施加给压敏电阻器的最大平均冲击功率。
● 最大能量：
——在压敏电压变化不超过±10%，冲击电流波形为10/1000μs或2ms的条件下，可施加给压敏电阻的最大一次冲击能量。
● 通流容量（最大冲击电流）：
——一次：在压敏电压变化率不超过±10%，冲击电流波形为8/20μs的条件下，压敏电阻器所能承受的最大电流。两次：指同一方向冲击两次（间隔5分钟），在压敏电压变化率不超过±10%，冲击电流波形为8/20μs 的条件下，压敏电阻器所能承受的最大电流。
● 静态电容量：
——指压敏电阻器本身所固有的电容量，它是在20±2℃的环境中，施加以1KHZ，最大为1Vrms信号所测得的。
● 漏电流：
——指在规定的温度下，施加最大连续直流电压（或实际压敏电压的75%）时，压敏电阻器中流过的电流值。
SDR压敏电阻器产品系列

3.▲ 特点

● 尺寸小，通流容量和能量耐量大

● 环氧树脂绝缘包封

● 元件直径为5、7、10、14、20mm

▲应用领域

● 晶体管、二极管、IC、可控硅和半导体开关元件以及各种电子设备过压保护

● 家用电器的浪涌吸收

● 工业电器浪涌吸收

● 静电放电和噪音信号消除

● 继电器和电磁阀浪涌吸收

● 漏电保护开关过电压保护

● 电话机、程控交换机等通讯设备防雷及过电压保
SDR压敏电阻器产品系列

　　　▲ 外形尺寸（单位：mm）

规格 Dmax d(±0.02) W(±1.0) Tmax Lmin
05 7.5 0.6 5.0 6.0 20
07 9.0 0.6 5.0 6.0 20
10 13.5 0.8 7.5 8.0 25
14 17.0 0.8 7.5 　8.0  25
20 23.5 1.0 10.0 12.0 25

　　　▲ 型号命名

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金属陶瓷气体放电管稳定性研究
                   
李 荣 玉
             
上海交通大学光纤技术研究所

1.引言

   金属陶瓷放电管是广泛应用于邮电通信、铁路信号、广播电视、计算机、家用电器、仪表等领域的过电压保护器件，它具有体积小、功率大、寿命长、冲击放电延时短、绝缘好、极间电容小等优点，是目前最为理想的过电压防雷保护器件。由于现在信息高速公路的发展，计算机联网以及有线电视的普及，对传输线路的防雷及过电压保护的要求越来越高，这样，就必须要求放电管具有稳定的直流击穿电压及较小的冲击击穿电压，也需要有较大的耐冲击电流的能力，国标GB9043—88及邮电部有关配线架生产的标准中对放电管都提出了相应的要求，下面我们从放电管原理出发，讨论其击穿电压稳定性的问题，在此基础上，制备出优良品质的放电管。

1.放电管的工作原理
 
放电管的结构图如图1所示

                                1.电极
                                2.陶瓷管
                                3.导电带
                                4.电子粉
                                5.Ag-Cu焊片

      图1. 放电管的结构图

  在放电管的两电极上施加电压时，由于电场作用，管内初始电子
在电场作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，一旦电子达到一定能量
时，它与气体分子碰撞时发生电离，即中性气体分子分离成电子和阳离
子，电离出来的电子与初始电子在行进过程中还要不断地再次与气体分
子碰撞发生电离，从而电子数按几何级数增加，即发生电子雪崩现象，
另外，电离出来的阳离子也在电场作用下向阴极运动，与阴极表面发生
碰撞，产生二次电子，二次电子也参加电离作用，一旦满足：
              r(ead-1)=1 时
放电管由非自持放电过渡到自持放电（1），管内气体被击穿，放电管放电，此时放电电压称为击穿电压Vs。其中，r表示一个正离子轰击阴极表面而使阴极表面逸出的电子数，d为极间距离，a为电子的有效电离系数。
放电管放电后，管子从绝缘态变为导体，管内产生电流，随着电流的增加，放电管由辉光放电变为弧光放电，而此时管压降远远小于Vs,而且其
值不随电流的变化而变化，显现一种稳压态，从而达到过压保护作用。
 当充气压力与极间距离的乘积为定值时，放电管有一最小击穿电压
Vsm,它仅与阴极表面及气体种类有关，其值如下：（2）
             Vsm=Vi+(1/am)Log(1/r)
其中  Vi为气体的电离电位；
   am为在最小击穿电压下的有效电离系数；
   r为正离子打到阴极上产生的二次电子数；

              图2. 巴邢曲线

最小击穿电压下的Pd值（即巴邢曲线最低点所对应的Pd值，如
图2巴邢曲线）由下式给出：（2）
                    Vsm
          (Pd)min=—————
                    Zmin
其中： Zm为最小击穿电压的E/P值，E为电场强度，P为充气压力；
不同的气体Zm值不同。
  可见，放电管在机械结构一定的情况下，阴极发射材料和充入气体的成分及压力，是其特性好坏的决定性因素。

2. 影响击穿电压的因素
  由以上分析可知，在极间距离及气体种类一定的情况下，放电管的击穿电压主要取决于阴极发射材料和充气气压，由于气体放电的机制比较复杂，理论计算值与实际的击穿电压值是有偏离的，影响击穿电压稳定性的因素较多，最主要的是阴极发射材料和内部的气氛的变化情况，下面我们着重讨论这两个因素对放电管的影响。
2.1 阴极发射材料
 阴极发射材料是气体放电管的关键，我们一般要求它发射效率高，耐离子轰击能力强，溅射小，它的配方及处理工艺，不但对直流击穿电压有影响，也直接影响到放电管的其他各参数。
 阴极发射材料涂复在电极两端，它有利于电子的发射，特别有利于初始电子的产生，由于不同的阴极材料具有不同的逸出功，因此，在其他条件相同的情况下，不同的阴极材料，其击穿电压是不同的，逸出功低，击穿电压低，逸出功高，击穿电压也高。要求击穿电压稳定，就必须要求阴极材料具有稳定的逸出功，在阴极材料配比一定的情况下，要具有稳定的逸出功，必须：（1）合理选用基金属材料，它必须含有一定数量阴极材料的还原剂，且性能稳定，蒸发率低，易于去气，而且还必须易于与金属

化陶瓷管封接；（2）阴极材料的预处理，比如预反应，预烧H等，预处理过的阴极材料，不但在封接时放气少，而且激活后表面原子层的化学结构稳定；（3）阴极材料的激活与老炼工艺，实验证明，对放电管采取不同的激活与老炼工艺，其性能将大大不同，我们分别用4秒1次，1秒4次，3秒1次再加1秒1次等不同的老炼工艺，所得出的结果是不同的。
 目前，国内外的气体放电管还存在一个比较突出的问题，就是光敏效应，即在有光照条件下和无光条件下其击穿电压不一致，因为光本身就是能量，光子可以使得阴极材料的表面势垒降低，从而逸出功降低，这有利于初次电子的产生，从而有光照时击穿电压比无光照时击穿电压低，因而出现光敏效应，为了克服这一现象，可在阴极材料或管壁上加入适量的放射性元素，利用其a、B、r射线的能量产生初始电子参与阴极材料的发射，使其表面势垒降低从而受光的影响减弱，实验证明在掺入铀及钷元素的情况下，光敏现象基本消失，但是，放射性元素对人体及环境是有害的，因此不但在生产上有困难，而且用户使用也会受到损害。为此，我们在寻找其他降低光敏效应途径，通过大量的实验我们发现，降低光敏效应还有两种方法，一种是改变电极结构，使得一次电子易于受电场的作用而发射，另一种是在阴极材料中加入某种元素（非放射性元素）使得表面势垒发生变化，通过对阴极材料的预处理，使得阴极材料的电子总处于预发射态，它的发射主要依赖于电场的强度变化，而依赖于光能量较弱，从而达到降低光敏效应的作用。我们通过这两种方法，在不加放射性元素的情况下已经制备出较好地克服光敏效应的放电管。
  我们还要求阴极材料具有较强的耐离子轰击能力，即贱射小，如果贱射大，除会改变表面状态外，还会改变电极材料特性，从而引起击穿电压的改变，甚至影响放电管的绝缘性能。为了降低阴极材料被离子轰击引起的贱射，除了选用一些贱射率低的材料外，还可在阴极材料中加入特定的微量元素以提高其抗贱射能力，实验表明，在阴极材料中加入微量的硼元素，将大大提高抗贱射能力。

2.2  气体
 气体放电管在制备过程中由于极限真空的影响，真空度不可能很高就要充气，因此管子在封离后，管内必然有如油蒸汽、H2、N2、H2O、CH4、CO、CO2、O2等残余气体，其中油蒸汽是由真空系统扩散的，N2、CO2、O2主要是大气中留下的，H2一部分是原材料烧氢处理时留下的，CO，CH4及部分H2是由H2O与电极表面的C起反应生成的（3），另外还有
些气体是放电管激活老炼时由阴极材料释放的以及由于电子和离子碰撞电极，电极表面吸附气体的释放。由这些杂质气体的存在，而且这些杂质气体之间还会产生复杂的化学反应，从而使管内杂质气体的成分常常发生变化，气压及电离电位也相应变化，因而也会引起着火电压发生变化，特别是H2O，它是引起管内气体成分变化的主要因素。因而在生产放电管时，必须尽可能降低管内杂质气体成分，为此，必须注意以下几点：〈1〉必须提高排气系统的极限真空度，采用大速率的真空系统，增粗排气管道以便减小气阻延长排气时间等；〈2〉电极材料要真空除气，电极涂好电子粉后，要在烘箱内充分烘干，以便去除水分，装配完的管子要立即放在干燥皿内，防止反潮。〈3〉采用高纯度的惰性气体。〈4〉改进封接工艺，控制好每段温区的升温速度及保温时间，选择合适的充气温度。〈5〉在设计放电管时，尽可能让击穿电压在巴邢曲线的最低点附近，这样即使管内气压有小的变化也不会对击穿电压有大的影响。

3. 结论
 在考虑到以上各因素的前提下，我们经过数百次试验，研制成功通信设备保护用的气体放电管所需的电子发射材料，在充纯Ar的情况下，配合适当工艺，生产出的放电管，经邮局部通信产品防护性能监督检验测试中心的检验（NO.95184），既达到了GB9043—88的标准，也达到了邮电部行业标准。具体指标如下：（4）
 

耐流试验前：
  直流击穿电压为优等品，绝缘电阻、冲击击穿电压和过保持电压（150V）为一等品要求，极间电容符合国标；
  耐流试验后：
  （1）5A交流试验后，直流击穿电压和绝缘电阻为优等品，冲击击穿电压为一等品；
  （2）8/20us(5KA)冲击电流试验后,直流击穿电压、冲击击穿电压、绝缘电阻为优等品；
  （3）10/1000us(100A)冲击电流试验后，直流击穿电压和绝缘电阻为优等品，冲击击穿电压为一等品。