简谈浪涌保护器原理及应用

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多层片式压敏电阻器基本知识
Multiplayer Chip Ceramic Varistor
    
      多层片式压敏电阻器（Multiplayer Chip Ceramic Varistor）是一种金属氧化物陶瓷半导体电阻器，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非线性电阻元件。由于它的无引线片式结构，其寄生电感非常小、响应速度非常快，因此具有优良的ESD(静电放电)及各种浪涌噪音的抑制能力，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。
      我们将片式压敏电阻器一些基本知识拿出来一起与大家探讨，请详见以下附件（pdf格式）。若不能有效查看该文件，请告知email地址，我将发邮件。同时我们愿意和大家一起相关片式压敏电阻和贴片电容其他方面的技术问题。谢谢！
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简谈浪涌保护器原理及应用 (转载)
作者：罗振宁

　　摘 要 文章介绍了防雷击电磁脉冲的基本原理及所采取的保护措施，常用的浪涌保护器的性能和特点，并简单介绍了一些常用的SPD产品。
　　　　关键词 等电位联结 过电压保护 SPD　　近年来，随着微电子技术的长足进步，个人ＰＣ、各类中型、大型及超大型计算机、大型程控交换机的运用越来越普及。由于这类电子设备内部有大量的对过电压十分敏感的大规模或超大规模集成电路，从而使由过电压造成的损失越来越大。针对这种现状，《建筑物防雷设计规范》ＧＢ５００５７－９４（２０００年版）中加入了第六章——防雷击电磁脉冲的内容。根据这一要求，一些生产厂家也推出了相应的过电压保护产品，也就是我们现在常说的浪涌保护器（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ?ＳＰＤ）。要保护电气和电子系统重要的是在电磁兼容性保护区内设置一套包括全部有源导线在内的完整的等电位联结系统。不同种类的过电压保护装置中放电元器件的物理特性在实际应用中既有优点，亦有缺点，因此采用多种元件组合的保护电路运用得更为广泛。
　　　　但是，能满足具有当代技术水平的，能传导１０／３５０μｓ脉冲电流的雷击电流放电器，用于二次配电的可插式浪涌保护器，电器电源保护装置直到电源滤波器所有技术要求的产品系列却是极为少见的。同样这种产品系列应该包括适用于所有的电路，即除电源外，还应包括用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路以及适用于无线和有线通讯的放电器，以便客户使用。
　　　　本文将对目前常用的几种浪涌保护产品做简单的介绍并对其特性及适用场合做简略分析。
　　　　１ 等电位联结系统
　　　　过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的瞬间（微秒或纳秒级），在被保护区域内的所有金属部件之间应实现一个等电位。“等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来。”（《建筑物防雷设计规范条文说明》）（ＧＢ５００５７－９４）。“等电位联结的目的在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差”（ＩＥＣ１３１２ ３．４）。《建筑物防雷设计规范》（ＧＢ５００５７－９４）中规定：“第３．１．２条装有防雷装置的建筑物，在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下，应采取等电位联结。”在建立这个等电位联结网络时，应注意使相互之间必须进行信息交换的电器和电子设备与等电位联结带之间的连接导线保持最短距离。
　　　　根据感应定理，电感量越大，瞬变电流在电路中产生的电压越高；（Ｕ＝Ｌ·ｄｉ／ｄｔ）电感量大小主要和导线的长度有关，与导线截面关系不大。因此，应使接地导线尽可能的短。多条导线的并联连接可显著地降低电位补偿系统的电感量。为了将这两条付诸实践，理论上可以把应与等电位联结装置连在一起的所有电路和设备连在同一块金属板上。基于金属板的构想在补装等电位联结系统时可采用线状、星状或网状结构。设计新的设备时原则上应只采用网状的等电位联结系统。　　２ 将电源线路与等电位联结系统连接
　　　　所谓瞬变电压或瞬变电流意味着其存在时间仅为微秒或毫微秒。浪涌保护的基本原理是：在瞬态过电压存在的极短时间内，在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位。这种导电部件也包括电路中的电源线。人们需要响应速度快于微秒的元件，对于静电放电甚至要快于毫微秒。这种元件能够在极短的时间间隔内，将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导出。在预期的雷击情况下按１０／３５０μｓ脉冲计算，电流高达５０ｋＡ。通过完备的等电位联结装置，可以在极短的时间内形成一个等电位岛，这个等电位岛对于远处的电位差甚至可高达数十万伏。但重要的是，在需要保护的区域内，所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位，而不存在显著的电位差。　　３ 浪涌保护器的安装及其作用
　　　　浪涌保护电器元件从响应特性来看，有软硬之分。属于硬响应特性的放电元件有气体放电管和放电间隙型放电器，二者要么是基于斩弧技术（Ａｒｃ－ｃｈｏｐｐｉｎｇ）的角型火花隙，要么是同轴放电火花隙。属于软响应特性的放电元件有压敏电阻和抑制二极管。所有这些元件的区别在于放电能力、响应特性以及残余电压。由于这些元件各有优缺点，人们将其组合成特殊保护电路，以扬长避短。在民用建筑领域中常用的浪涌保护器主要为放电间隙型放电器和压敏电阻型放电器。
　　　　闪电电流和闪电后续电流需要放电性能极强的放电器。为了将闪电电流通过等电位联结系统导入接地装置，建议使用根据斩弧技术带角型火花隙的雷击电流放电器。只有用它才能传导大于５０ｋＡ的１０／３５０μｓ脉冲电流还可以实现自动灭弧，这种产品应用的额定电压可达４００Ｖ。此外，当短路电流达到４ｋＡ时，这种放电器不会引起额定电流为１２５Ａ的保险丝熔断。
　　　　由于其良好的性能，使得在保护区域内安装的仪器和设备的不间断工作特性得以大大提高。特别要指出的是，这里不仅取决于幅值很高的电流可以进行处理，更重要的是电流的脉冲形式起着决定性的作用。二者必须同时考虑。因此，虽然角型火花隙也能够输导最高达１００ｋＡ的电流，但其脉冲形式较短（８／８０μｓ）。这种脉冲是冲击电流脉冲，在１９９２年１０月以前是作为开发雷击电流放电器的设计基础。
　　　　尽管雷击电流放电器放电能力很好，但总有其缺点：其剩余电压高达２．５～３．５ｋＶ。因此，在整体安装雷击电流放电器时，还需与其它的放电器组合使用。
　　　　此类产品主要有阿西亚·布朗·勃法瑞（ＡＢＢ）公司的Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｍ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＮＢ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｇ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＧＮ－Ｂ；德国ＤＥＨＮ同轴火花间隙的ＤＥＨＮｐｏｒｔＭａｘｉ（１０／３５０μｓ，５０ｋＡ／相）、ＤＥＨＮｐｏｒｔ２５５（１０／３５０μｓ，７５ｋＡ／相）；德国ＰＨＯＥＮＩＸ角型火花间隙：ＦＬＴ６０－４００（１０／３５０μｓ，６０ｋＡ／相）、ＦＬＴ２５－４００（１０／３５０μｓ，２５ｋＡ／相）；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＰＲＦ１电涌保护器；ＭＯＥＬＬＥＲ的ＶＢＦ－系列产品。
　　　　压敏电阻其功能相当于很多与串联和并联在一起的双向抑制二极管，工作原理如同与电压相关的电阻。电压超过规定电压，压敏电阻可以导电；电压低于规定电压，压敏电阻则不导电。这样压敏电阻可起到很好的电压限位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在毫微秒范围下段。
　　　　电源上常用的压敏电阻可输导极限可达４０ｋＡ ８／２０μｓ脉冲的电流，因而很适合做电源第二级放电器。但作为雷击电流放电器则不合适。国际电子技术委员会ＩＥＣ １０２４－１文献中记载，要处理脉冲为１０／３５０μｓ的电荷量，相当于８／２０μｓ脉冲情况下电荷量的２０倍。
　　　　Ｑ（１０／３５０）μｓ＝２０×Ｑ（８／２０）μｓ
　　　　从这条公式可以看出，不仅要注意放电电流的幅度，而且一定要注意脉冲形式，这是至关重要的，压敏电阻的缺点是易老化和电容较高，老化是指压敏电阻内的二极管元件被击穿。由于大多数情况下Ｐ－Ｎ结过载时会造成短路，依其负载的频繁程度，压敏电阻开始吸引泄漏电流，泄漏电流会在敏感的测试电路中引起测量数据误差，同时，特别是在额定电压高的电路中，会造成强烈发热。
　　　　压敏电阻的电容高，使它在很多情况下不能在信号传输线路中使用。电容和导线电感形成一个低通电路，会使信号极大地衰减。但频率大约在３０ｋＨｚ以下的衰减可以忽略不计。
　　　　此类产品主要有ＡＢＢ的Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｖ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＴＳ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＥ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＥＴＳ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＧＥ－Ｓ；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＰＲＤ系列可更换式电涌保护器；ＭＯＥＬＬＥＲ的ＶＲ７－ 、ＶＳ７－系列产品；德国ＤＥＨＮ的ＤＥＨＮｇｕａｒｄ３８５（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）、ＤＥＨＮｇｕａｒｄ２７５（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）；德国ＰＨＯＥＮＩＸ的ＶＡＬ－ＭＳ４００ＳＴ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）、ＶＡＬ－ＭＥ４００ＳＴ／ＦＭ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）；国产万马神的ＤＢ３０－４Ａ／Ｂ（８／２０μｓ，３０ｋＡ／相）、ＤＢ４０－４Ａ／Ｂ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）。　　４ 根据过电压保护的方案安装浪涌保护器
　　　　包含单个保护元件或者组合保护电路，又按安装技术条件集成一体的组合件（导轨安装式、电源插座式、适配器）称作放电器。
　　　　几乎在所有情况下的过电压保护，至少应分成两级。如电源，各个只包含一级保护的放电器，可安装在不同的位置，同一放电器中也可能包含多级保护。为了达到有效的过电压保护，人们将需要保护的范围按不同的电磁兼容性分区，这个保护范围，包括从闪电保护区０，过电压保护区１至３，直到干扰电压保护区具有更高的序号。
　　　　设置电磁兼容性保护区０到３，是为了避免因高能耦合而损坏设备。而序号更高的电磁兼容性保护则为防止信息失真和信息丢失而设置。保护区的序号越高，预期的干扰能量和干扰电压电平越低。需要保护的电气和电子设备安装在一个十分有效的保护圈内，这样的保护圈可以针对单个的电子设备，也可以是一个装有多个电子设备的空间，甚至一整栋楼，所有穿过通常具有空间屏蔽的保护圈的电线，在接到该保护圈的外围设备的同时接过电压保护放电器。
　　　　浪涌保护器的选择取决于各个电路和参数。浪涌保护器的工作电压以安装在此电路中所有部件的额定电压为准，而要达到的剩余电压则根据安装在此电路中所有部件的耐压强度确定。耐压强度按１．２／５０μｓ脉冲测试。并联时，即在有源导线和地之间接上放电器时，无需注意放电器的额定电流，因为额定电流并不通过放电器。　　电路装有串联浪涌保护器的情况下，必须注意其额定电流，在数据传输率很高的电路中，浪涌保护器的衰减起着决定性的作用。
　　　　至于专门为数据传输电路而设计的放电器，生产厂家已考虑到其传输速率。为达到最优化的过电压保护方案，用户需要与电气和电子设备的规划人员，及建筑设计人员及时对话。正是在设计规划阶段，注意到电磁兼容性的基本原理可以大大降低成本，并最有效地达到过电压保护的目的。在设计阶段，确定网状电位补偿系统的设置，并为空间屏蔽和电气及电子设备线路的布置奠定基础。按电路参数而挑选出的浪涌保护器，就很容易确定其合适的安装位置了。
　　　　需特别注意的是，只有符合专业规定及标准的安装，才能使一个优秀而便于应用的过电压保护方案成功地付诸实践。

 

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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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