雷擊浪涌發生器防護器件有哪些

雷擊是指帶電云層或帶電云層與地面之間的放電現象。這種放電過程會產生強大的閃電和巨大的聲線，并隨著大量的能量而傳遞。雷擊對電子設施造成了災難性的破壞。雷擊浪涌沖擊波可以通過室外傳輸線路、設備之間的連接線和電力線侵入設備，損壞連接在線路中間或終端的電子設備。雷擊地球或接地導體，導致局部瞬時電位上升，影響附近的電子設備，影響設備，損害其對地面絕緣。

圖1.雷電現象

一、浪涌防護裝置:

由于浪涌脈沖的脈寬較寬，低通濾波器對其作用非常有限，一般采用特殊的浪涌抑制裝置來抑制。浪涌抑制裝置的一個共同特點是，當有浪涌電壓時，阻抗不同于無浪涌電壓。在正常電壓下，其阻抗非常高，對電路的工作沒有影響。當在其上添加高浪涌電壓時，其阻抗變得非常低，從而導致浪涌能量旁路。常用的浪涌抑制裝置包括壓敏電阻、瞬態抑制二極管（TVS二極管）和氣體放電管。這些裝置具有圖2所示的特性。當浪涌電壓超過一定值時，通過它們的電流突然增加，這意味著它們的阻抗突然變得非常低。該裝置的使用方法是并聯在線路和參考地點之間。當浪涌電壓出現時，它們迅速導通，從而將電壓范圍限制在一定值，保護后端電路，如圖2所示。

圖2.浪涌抑制器伏安特性虛線

1.壓敏電阻:

壓敏電阻是一種將導線焊接在氧化鋅顆粒上，然后用絕緣材料包裝的設備，如圖3所示。當流過壓敏電阻的浪涌電流增加時，其電阻會減小，可以將電壓夾在一定值上，但由于壓敏電阻的電阻降低與流過的電流不完全反比，因此上述電壓會隨著電流的增加而增加。

圖3.壓敏電阻

壓敏電阻中的氧化鋅顆粒形成類似于PN結的結構，具有二極管的特性。整個壓敏電阻相當于大量的二極管并聯和串聯。由于部分PN結是正偏置，部分是反偏置，因此壓敏電阻的特性是雙向的，類似于兩個背靠背的二極管，如圖4所示。

圖4.壓敏電阻的結構

顯然，串聯PN結越多，壓敏電阻的導電電壓越高。因此，壓敏電阻器件的厚度決定了其導電電壓。并聯PN結越多，壓敏電阻承受電流的能力越強。因此，壓敏電阻的面積決定了其承受電流的能力。

壓敏電阻的一個缺點是鉗位電壓不是一個確定的值，而是與流過壓敏電阻的電流有關。壓敏電阻上的電壓(一般稱為鉗位電壓)等于流過壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的電阻值。流過壓敏電阻的電流越大，壓敏電阻上的電壓在浪涌電流的峰值處最高，會超過交流峰值的30%。因此，壓敏電阻的保護效果較差。

壓敏電阻的另一個缺點是，一些顆粒在受到浪涌沖擊后會損壞并短路。此時，相當于系列PN結減少，從而降低整個壓敏電阻的導電電壓值。當壓敏電阻的導電電壓低于電源的峰值電壓時，電源的功率電流會流過壓敏電阻，使壓敏電阻過熱損壞，可能發生爆炸，造成安全問題。因此，一般不建議使用壓敏電阻。

2.瞬態抑制二極管:

瞬態抑制二極管(TVS)是一種廣泛應用于信號線的浪涌保護裝置，如圖5所示。

圖5.瞬態抑制二極管

TVS的優點是響應時間短，鉗位電壓低(相對于工作電壓)。但由于所有功率都消散在二極管的PN結上，它承受的功率值小，允許流動的電流小。

一般來說，TVS的寄生電容較大。如果在高速數據線上使用，應使用特殊的低電容器件，但低電容器件的額定功率往往較小，僅適用于浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大，則應與其他大功率浪涌抑制器件一起使用，TVS作為后保護。

3.氣體放電管:

氣體放電管是一種常用的浪涌保護裝置，如圖所示。氣體放電管的工作原理是利用金屬電極之間的放電特性。也就是說，當金屬電極之間的電壓超過一定值時，電極之間的間隙就會被打破，形成一個通道，電阻很低，接近短路，所以浪涌電壓的能量可以從旁邊掉下來。氣體放電管有兩個極和三極，實際上相當于兩個氣體管包裝在一個容器中。如圖7所示。

圖6.氣體放電管

電極之間的沖擊有兩種機制，一種是氣體的電離現象。這種現象是，當添加到氣體上的電場強度較強時，氣體中的自由電子或離子會獲得足夠的能量，撞擊其他原子或分子，產生更多的自由電子和離子，形成導電氣體，稱為氣體電離。當電極之間的氣體電離時，會有一個可以自行維持的光放電過程，只有較低的電壓才能保持其電離狀態。維持電壓與觸點之間的距離無關，在空氣中約為300V。此外，為了保持連接，通常需要一個最小的電流，通常是幾毫安。

還有另一種機制，即電弧放電。這種現象的機制是，金屬表面的自由電子在外部場強的作用下會被拉入空間，脫離金屬表面的約束，成為空間的自由電子。電子離開金屬表面后，在外部電場的作用下，從陰極移動到陽極。到達陽極后，電極的局部溫度非常高，這可能會升華金屬，形成一座金屬氣體橋，即電弧放電。一旦形成金屬氣體橋，電弧放電過程只能通過低電壓和電流維持。一般來說，電壓為10~30V，電流為1A。誘發電弧放電的場強度約為5kV/cm。

氣體放電管的優點是能承受較大的電流。氣體放電管的通流能力與管徑有關。管徑越大，通流能力越大。氣體放電管的質量問題主要表現為慢性漏氣和長期使用的可靠性（即直流擊穿電壓值在多次閃電沖擊后偏移），光敏效應和離散性較大。

此外，由于維護其導電所需的電壓很低，當浪涌電壓時，只要氣體放電管上的電壓高于維護電壓，就會保持導電。在交流場合使用時，只有當交流電超過零點時，才會斷開，因此會有一定的跟蹤電流。由于跟蹤電流時間長，放電管接觸會迅速燒毀，縮短放電管的使用壽命。由于氣體放電管的這一特點，不適用于電壓值高的直流場合。此時，電弧可能無法斷開，導致電源保護裝置的運行。

4.比較浪涌防護裝置的特性:

圖7.浪涌防護器件特性對比

二、通過防護裝置的電壓對比，浪涌:

圖8.浪涌過后三者的變化情況

圖8可以比較三電壓瞬態抑制二極管最小，其次是壓敏電阻，氣體放電管最大，殘留壓力高，由于壓敏電阻和氣體放電管流量大，更適合一級保護，瞬態抑制器響應速度快，鉗位電壓低，更適合二次保護。