過電壓保護(hù)器防雷原理解析

防雷器（Surge protection Device）是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過去常稱為“避雷器”或“過電壓保護(hù)器”英文簡寫為SPD。防雷器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

防雷器元件從響應(yīng)特性看，有軟硬兩種。屬于硬響應(yīng)特性的放電元件有火花間隙（基于斬弧技術(shù)的角型火花隙和同軸放電火花隙）和氣體放電管，屬于軟響應(yīng)特性的放電元件有金屬氧化物壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。這些元件的區(qū)別在于放電能力、響應(yīng)特性和殘壓，避雷器就是利用它們不同的優(yōu)缺點，揚長避短，組合成各種避雷器，保護(hù)電路。

二、SPD的基本元器件及其工作原理：

放電間隙（又稱保護(hù)間隙）：

它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護(hù)設(shè)備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線（PE）相連接，當(dāng)瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿，把一部分過電壓的電荷引入大地，避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調(diào)整，結(jié)構(gòu)較簡單，其缺點時滅弧性能差。改進(jìn)型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

2.氣體放電管：

它是由相互離開的一對伶陰板封裝在充有-定的惰性氣體（Ar）的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，

氣體放電管的技術(shù)參數(shù)主要有：直流放電電壓 Udc;沖擊放電電壓Up（- -般情況下Up=（2~ 3）Udc;工頻而授電流In;沖擊而授電流lp;絕緣電阻R（》109）;極間電容（1- 5PF）

氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：在

直流條件下使用： Udc1.8UO （UO為線路正常工作的直流電壓）

在交流條件“下使用：∪dc》1.44Un（Un為 線路正常工作的交流電壓有效值）
3.壓敏電阻：

它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當(dāng)于多個半導(dǎo)體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CUa 中的非線性系數(shù)a），通流容量大（~ 2KA/cm2），常態(tài)泄漏電流?。?0-7~10-6A）， 殘壓低（取訣于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓響應(yīng)時間快（ ~10-8s），無續(xù)流。

壓敏電阻的技術(shù)參數(shù)主要有：壓敏電壓（即開關(guān)電壓） UN，參考電壓Ulma;殘壓Ures;殘壓比K（K=Ures/UN）;最大通流容量lmax;泄漏電流;響應(yīng)時間。

壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓： UN≥* （V2x1.2） /0.7］U0 （UO為工頻電源額定電壓）最小參考電壓： Ulma≥（1.8~2） Uac直流條件下使用）

Ulma≥（2.2~2.5） Uac （在交流條件下使用，Uac 為交流工作電壓）

壓敏電阻的最大參考電壓應(yīng)由被保護(hù)電子設(shè)備的耐受電壓來確定，應(yīng)使壓敏電阻的殘壓低于被保護(hù)電子設(shè)備的而損電壓水平，即（Ulma）maxsUb/K， 上式中K為殘壓比，Ub為被保護(hù)設(shè)備的而損電壓。

4.抑制二極管：

抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū)，由于它具有箝位電壓低和動作響應(yīng)快的優(yōu)點，特別適合用作多級保護(hù)電路中的最末幾級保護(hù)元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示： l=CUa，上式中 a為非線性系數(shù)，對于齊納二極管a=7~9，在雪崩二極管a=5~7。

抑制二極管的技術(shù)參數(shù)主要有

（1） 額定擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma） 下的擊穿電壓，這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V~4.7V范圍內(nèi)，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V~ 200V范圍內(nèi)。

（2）最大箝位電壓：它是指管子在通過規(guī)定波形的大電流時，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。（3）脈神功率：它是指在規(guī)定的電流波形（如10/1000us） 下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。

（4）反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區(qū)，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運行時處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。

（5）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過的最大反向電流。（6）響應(yīng)時間： 10~11s

5.扼流線圈：扼流線圈是一一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件，要對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號（如雷電干擾），而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響。

這種扼流線圈在制作時應(yīng)滿足以下要求：

（1）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。

（2）當(dāng)線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

（3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣， 以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。（4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對瞬時過電壓的而授能力。

6. 1/4波長短路器

1/4波長短路器是根據(jù)雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號防雷器，這種保護(hù)器中的金屬短路棒長度是根據(jù)工作信號頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長的大小來確定的。此并聯(lián)的短路棒長度對于該工作信號頻率來說， 其阻抗無窮大，相當(dāng)于開路，不影響該信號的傳輸，但對于雷電波來說，由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒對于雷電波阻抗很小，相當(dāng)于短路，雷電能量級被泄放入地。

由于1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，可達(dá)到30KA（ 8/20us）以上，而且殘壓很小，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的，其不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2%~20%左右，另一一個缺點是不能對天饋設(shè)施加直流偏置，使某些應(yīng)用受到限制。

三、SPD的基本電路

防雷器的電路根據(jù)不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是_上面介紹的幾種，一個技術(shù)精通的防雷產(chǎn)品研究工作者，可設(shè)計出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結(jié)構(gòu)圖案。研制出既有效又性能價格比好的產(chǎn)品，是防雷工作者的重任。