SPD工作原理

    随着电子科技时代的到来，各家各户基本上都有必备的电子设备，作为防雷工程师，大家都清楚，电子设备的过压耐受能力是有限的。如果雷电从户外的电源线、信号线和各种金属管线悄悄的侵入到室内，那么很容易造成屋内电子设备的损坏，从而造成一定的经济损失。随着这些问题的出现，那么电涌保护器就诞生了。

    电涌保护器(SurgeProtectionDevice，SPD)是基于上述要求设计的电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去也称为"避雷器"或"过电压保护器"。电涌保护器的作用是把窜人电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流人地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。
    电涌保护器按其工作原理可分为电压开关型电涌保护器(voltageswitchingtypeSPD)、电压限制型电涌保护器(voltagelimitingtypeSPD)、复合型电涌保护器(combinationSPD)。开关型电涌保护器是指在没有电涌过电压时具有高阻抗，有浪涌电压时能立即转变成低阻抗的SPD。电压开关型电涌保护器常用的元件有放电间隙、气体放电管和晶闸管等开关元件。这类电涌保护器有时也称作“短路型SPD”。电压限制型电涌保护器是指在没有电涌电压时具有高阻抗，但是随着浪涌电流和电压的上升，其阻抗将持续地减小的电涌保护器。常用的非线性元件是压敏电阻和瞬态电压抑制二极管。这类SPD有时也称作"钳位型电涌保护器"。复合型电涌保护器是由电压开关型元件和电压限制型元件组成，其放电特性表现有电压开关型和电压限制型两者的特点。
　　
　　一、气体放电管
　　
　　气体放电管是一种用陶瓷或玻璃封装且内部充有惰性气体的短路型保护元件，管体内一般装有两个或三个(或更多个)相互隔开的电极。按电极个数来划分，常将含两个电极的气体放电管称为二极放电管，将含三个电极的气体放电管称为三极放电管。图2-31分别为二极放电管和三极放电管的示意，其中图2-31(a)为二极放电管，图2-31(b)为三极放电管，这两种管子的符号也示于图中。二极和三极放电管的实物如图2-32所示

图2-31  二级和三级放电管的示意

图2-32  二级和三级放电管实物

　　放电管的保护机理与保护间隙类似，都是利用气体放电来限制过电压。当两电极之间施加的电压超过气体的绝缘强度时，间隙将放电击穿，呈现出短路导通状态，从而抑制了两电极之间的过电压，使得与放电管并联的电子设备或电子元器件得到保护。图2-33给出了一平衡线路上采用三极放电管的保护电路，当雷电侵入波过电压以差模(出现在信号线1和2之间)形式或以共模(分别出现信号线1对地和信号线2对地)形式侵人平衡线路终端电子设备时，三极放电管通过A-G、B-G极间放电即可对过电压进行抑制。

图2-33  平衡线路的三级放电管保护电路

　　气体放电管的优点如下。
　　
　　①通流容量大，从几安到上千安。
　　
　　②极间电容小，不会使工常传输信号畸变，特别适合于高频电子电路的保护。
　　
　　③开断后的极间阻抗大，约为109Ω，在正常电压作用下放电管中的漏电流很小。
　　
　　气体放电管的缺点如下。
　　
　　①动作响应速度慢(响应时间约为10-6s级)。
　　
　　②放电后开断比较难，存在续流问题。
　　
　　③使用中存在老化现象，工作寿命比较短。
　　
　　二、压敏电阻
　　
　　信息系统防雷保护中的常用压敏电阻是一种以ZnO为主要成分的非线性电阻。在一定温度下，压敏电阻的导电性能随着其两端电压的增大而急剧增强。压敏电阻器的原理结构、符号如图2-34所示。压敏电阻器的材料和伏安特性与ZnO避雷器的阀片相同，工作原理和ZnO避雷器也相同，只是压敏电阻器的体积较小，适用的场合有所不同。
　　
　　

图2-34压敏电阻

　　压敏电阻的技术参数主要有:压敏电压(即开关电压)UN，参考电压Ulma，残压Ures，残压比K(K=Ures/UN)，最大通流容量Imax，泄漏电流，响应时间。
　　
　　压敏电阻的使用条件有:压敏电压，UN≥[(×l.2)/0.7]U0(U0为工频电源额定电压);最小参考电压，Ulma≥(1.8～2)Uac(直流条件下使用)，Ulma≥(2.2～2.5)Uac(在交流条件下使用，Uac为交流工作电压)。
　　
　　压敏电阻器的主要优点是:通流能力大;动作响应速度快(响应时间约为10-9s级);在工频电压及直流电路中无续流;产品价格低廉;产品电压和电流的可调范围大。
　　
　　压敏电阻器的主要缺点是:寄生电容较大，尤其是高频情况下，因此压敏电阻不适于高频和超高频电子电路的过电压保护。
　　
　　在信息系统中，压敏电阻器通常应用于电子设备电源的初级和次级的保护，也可应用于频率不高的信号回路的过电压保护。
　　
　　三、抑制二极管
　　
　　抑制二极管具有钳位限压功能，它是工作在反向击穿区，抑制二极管的伏安特性如图2-35所示。由于它具有钳位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用式I二C此表示。式中"为非线性系数，对于齐纳二极管，a=7～9;雪崩二极管，a=5～7。
　　
　　

图2-35抑制二极管的外形及伏安特性

　　抑制二极管的技术参数主要如下。
　　
　　①额定击穿电压它是指在指定反向击穿电流下的击穿电压。齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6～200V范围内。
　　
　　②最大钳位电压它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。
　　
　　③脉冲功率它是指在规定的电流波形(如10/1000P5)下，管子两端的最大钳位电压与管子中电流等值之积。
　　
　　④反向变位电压它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。
　　
　　⑤最大泄漏电流它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。
　　
　　⑥响应时间10～11ps。
　　
　　抑制二极管的主要优点是:钳位电压低;动作响应速度快(响应时间约为10-9s级);使用中不存在老化现象;承受多次冲击的能力强;器件产品电压的可选范围大。
　　
　　抑制二极管的主要缺点是:通流容量小;管子极间寄生电容随管子上作用的电压变化而变化，电压低时寄生电容较大。
　　
　　在信息系统中，抑制二极管非常适用于半导体器件和电子电路的过电压保护。
　　
　　四、扼流线圈
　　
　　扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同、匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，实物如图2-36所示。扼流线圈对于共模信号呈现出大电感，具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感，几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号(如雷电干扰，，而对线路正常传输的差模信号无影响。
　　
　　

图2-36扼流线圈实物

　　这种扼流线圈在制作时应满足以下要求。
　　
　　①绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。
　　
　　②当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和。
　　
　　③线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。
　　
　　④线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的耐受能力。