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技術(shù)專題
電子產(chǎn)品的雷電浪涌保護(hù)
在晴朗的晴天，地面通常在高層大氣中帶有輕微的負(fù)電荷，并帶有相應(yīng)的正電荷。這將在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生大約120 V / m的平均電場強(qiáng)度。相比之下，雷暴云在通過雷擊放電之前產(chǎn)生的電場強(qiáng)度約為25
kV / m。這在該云層與地面或其他帶電云層之間產(chǎn)生了十到一億伏特的電位差。這種強(qiáng)度的場會(huì)導(dǎo)致空氣分子在正電荷和負(fù)電荷之間電離，從而形成一個(gè)傳導(dǎo)通道，雷電可以沿著該傳導(dǎo)通道行進(jìn)。盡管大多數(shù)導(dǎo)電通道是在云層之間形成的，但至少有十分之一的形式在云層和地面之間形成，形成了特征性的閃電。
閃電效果
對于云之間的那些放電，放電將產(chǎn)生短暫的高強(qiáng)度無線電波。這些通常對電子設(shè)備無害，除非它們碰巧對此類信號敏感并在合理范圍內(nèi)接近放電。除非來自發(fā)射的電磁干擾（EMI）的瞬態(tài)干擾將成為一個(gè)重大問題，否則我們可以降低這些放電對地面設(shè)備的影響。主要問題來自那些到達(dá)電子設(shè)備附近大地的放電。這些雷擊是我們作為電氣設(shè)計(jì)工程師所經(jīng)歷的大多數(shù)破壞性影響的原因。
對電氣設(shè)備和電纜的直接雷擊通常如此之大，以至于無法采取內(nèi)置的措施來防止這種情況的發(fā)生。連接到建筑物的避雷針依靠其將放電電流直接轉(zhuǎn)移到大地，作為主要的保護(hù)機(jī)制。除非設(shè)備放置不當(dāng)或故意，否則直接撞擊電氣設(shè)備的可能性通常較低。在存在顯著的大氣電場強(qiáng)度的情況下，它會(huì)鼓勵(lì)電離。
電氣設(shè)備的可信風(fēng)險(xiǎn)來自設(shè)備附近的對地放電。雷擊期間發(fā)生的巨大能量轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致附近電氣系統(tǒng)中以各種方式臨時(shí)產(chǎn)生破壞性電流。主要影響通常是暫時(shí)的電磁干擾，由磁耦合或電容耦合感應(yīng)的瞬態(tài)電壓，以及由局部接地電位偏移引起的浪涌電流。我們將簡要總結(jié)這三個(gè)效果：
電磁干擾
放電電流的流動(dòng)會(huì)在放電期間產(chǎn)生EMI的寬帶發(fā)射。雖然這僅代表設(shè)備整體電磁環(huán)境的一部分，但短暫的高場強(qiáng)會(huì)干擾寬范圍內(nèi)未屏蔽的組件和傳輸線。
磁/電容耦合
當(dāng)放電電流流經(jīng)電纜附近時(shí)，感應(yīng)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致瞬變感應(yīng)到電纜上。這在架空電線桿或塔架之間的距離較長的架空電纜中尤為普遍。電氣設(shè)備通常會(huì)連接到電源電纜和信號電纜，這些電纜通過導(dǎo)電橋架，管道或通過架空電纜攜帶而受到影響。電纜越長，通過耦合效應(yīng)引起高壓瞬變的可能性就越高。這使得用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視的遠(yuǎn)程設(shè)備特別容易受到此類事件的影響。
為了達(dá)到足夠高的磁耦合或電容耦合水平，從而引起較大的感應(yīng)電流，雷電流必須非常接近電纜。但是，這種感應(yīng)的瞬態(tài)電流通?？梢杂稍O(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來適應(yīng)。通常，對現(xiàn)場信號電纜進(jìn)行屏蔽或屏蔽，以減少一般的EMI和噪聲拾取。使用雙絞線電纜可以將線路之間的電壓降低到不會(huì)造成設(shè)備損壞的水平。但是，除非添加額外的保護(hù)功能，否則仍會(huì)以可能損壞敏感組件的電平產(chǎn)生共模電壓。
地球電位變化
幾乎所有雷電放電都超過3 kA，十分之一左右超過100 kA。絕大多數(shù)的地雷直接終止于地面。那些擊中建筑物的建筑物通常通過避雷針和接地棒直接引向地面。很大的放電電流流入接地端子，并把電荷耗散到地球質(zhì)量中。該電流的一個(gè)影響是，它提高了觸擊位置的參考地電位。例如，終止于地面的阻抗為0.1Ω的100kA放電電流將在沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生10,000伏的電勢。任何靠近觸擊點(diǎn)接地的設(shè)備都將被綁定到相同的參考電位。雖然這不會(huì)影響該設(shè)備，但由于它在本地看到的電勢差沒有變化，它會(huì)在此本地接地與連接到距離已接地一定距離的設(shè)備的任何電纜的接地之間看到巨大的電位差。由于兩個(gè)接地電位之間的差異，這將導(dǎo)致出現(xiàn)非常高的瞬態(tài)電壓。
雷擊
由于EMI和磁/電容耦合效應(yīng)，在電源或信號電纜上感應(yīng)出的瞬變相對較容易防止?？梢允褂卯?dāng)今的電磁輻射飽和環(huán)境中所需的標(biāo)準(zhǔn)屏蔽和屏蔽技術(shù)來應(yīng)對此類瞬變。
由于潛在的地球移動(dòng)而引起的瞬變是一個(gè)更為重要的問題。屏蔽不會(huì)抵消物理上分開的地面之間可能出現(xiàn)的暫時(shí)性差異。幾十伏的過電壓會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞低功率半導(dǎo)體組件。在這種情況下感應(yīng)的瞬態(tài)電壓將需要我們現(xiàn)在討論的其他保護(hù)機(jī)制。
保護(hù)選項(xiàng)
電涌保護(hù)裝置可用于保護(hù)電氣和電子設(shè)備免受高壓瞬變的潛在破壞性影響。這些設(shè)備也稱為避雷器，避雷針和防雷裝置。電涌保護(hù)電路幾乎瞬時(shí)工作，以提供低阻抗路徑來傳導(dǎo)大電流，以消除過大的保護(hù)差，并吸收多余的電流并將其轉(zhuǎn)移到地面，以防止瞬變或電涌的影響。浪涌電流消退后，理想情況下，設(shè)備應(yīng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行，因此能夠防止任何后續(xù)浪涌。但是，我們還將簡要介紹更傳統(tǒng)的一發(fā)式保護(hù)設(shè)備的完整性。
電涌保護(hù)器有兩種主要類型。濾波器為高頻瞬態(tài)電流提供了屏障，同時(shí)允許低頻功率電流不受影響地通過。另一方面，每當(dāng)設(shè)備的電壓超過預(yù)設(shè)值時(shí)，瞬變分流器就會(huì)提供一條非常低的接地阻抗路徑。在這里，我們集中在瞬態(tài)分流器上，因?yàn)檫@些瞬態(tài)分流器可提供所需的保護(hù)，以防止雷擊引起的地電位變化。
由于并非所有電路都可能受到這些瞬變的影響，因此經(jīng)常采用的方法是使用連接在通用設(shè)備，系統(tǒng)和外部噪聲或瞬變源之間的其他保護(hù)性組件或設(shè)備。有幾個(gè)可用的組件，可以防止過多的能量到達(dá)設(shè)備或系統(tǒng)的敏感部分。這些通過將電涌轉(zhuǎn)向大地或斷開信號線來工作?？山邮艿脑O(shè)備可以快速運(yùn)行，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)承載大電流，同時(shí)將跨接電壓或流經(jīng)受保護(hù)設(shè)備的電流限制在可能發(fā)生損壞的水平。在避免服務(wù)中斷的情況下，通常首選免維護(hù)和自動(dòng)重置的設(shè)備。
空氣火花隙
該保護(hù)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)導(dǎo)電電極組成，這兩個(gè)導(dǎo)電電極在物理上是分開的，并且位于不受控制的環(huán)境中。通常不導(dǎo)電，當(dāng)兩個(gè)電極之間的電位差達(dá)到定義值時(shí)，它們之間的空氣就會(huì)電離，放電電流會(huì)在它們之間流動(dòng)。這種電離會(huì)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生一條低電阻路徑，從而使電流流過，直到空氣不再被電離為止。電極之間的距離將確定發(fā)生電離時(shí)的電勢差值。這有效地對本地接地點(diǎn)產(chǎn)生了受控的雷擊。
盡管火花隙價(jià)格便宜，但它們的工作電壓將受到環(huán)境條件（例如溫度和濕度）的影響，并會(huì)受到空氣中污染物的影響。它們的性能也可能隨時(shí)間變化，并由于電極腐蝕而因其運(yùn)行而降低性能，如果定期激活它們，則可能需要更換。
排氣管
火花隙保護(hù)的一種變化是，導(dǎo)電電極在受控的環(huán)境中物理隔離，通常是填充有特定氣體的密封容器。這樣可以改善對放電電壓的控制，并減少環(huán)境條件的影響。常用的材料包括密封在陶瓷容器中的低壓氬氣/氫氣混合物，其擊穿電壓從90 V開始，額定電流超過5kA。
氣體放電管的一個(gè)缺點(diǎn)是氣體電離所需的時(shí)間有限，從而限制了對浪涌電流的保護(hù)，而浪涌電流的陡峭上升沿到浪涌波形。額定電壓為100V直流擊穿的典型電子管，其上升時(shí)間為200V / μs的浪涌，直到基于0.5μs的電離時(shí)間，電壓達(dá)到200V左右時(shí)，電子管才會(huì)擊穿。這沒有考慮到100V額定值的任何容差。通常，此類設(shè)備的公差為20％。另一個(gè)缺點(diǎn)是，由于氣壓和成分隨時(shí)間的變化，它們的壽命受到限制。
一旦發(fā)生擊穿并且氣體已被離子化，如果在持續(xù)時(shí)間內(nèi)流過足夠的電流，則氣體可能會(huì)轉(zhuǎn)化為離子化的等離子體。如果電路可以支持這么大的電流，則該等離子體可以以相對較小的電位差放電數(shù)千安培。必須仔細(xì)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，以防止源設(shè)備電源消除了源極浪涌電流后氣體放電管的工作持續(xù)下去。
氣體放電管通常適合與低功率電路配合使用，在任何浪涌條件下，其浪涌電壓都會(huì)緩慢上升，并且可以承受電壓過沖情況。
半導(dǎo)體器件
半導(dǎo)體器件的優(yōu)點(diǎn)是它們的快速操作和它們工作的廣泛電壓范圍。只要電流保持在規(guī)格范圍內(nèi)，它們就可以提供準(zhǔn)確且可重復(fù)的電壓鉗位功能。浪涌抑制二極管，也稱為瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，對于持續(xù)時(shí)間少于1 ms的脈沖，可以處理幾kW的浪涌。浪涌抑制二極管和標(biāo)準(zhǔn)齊納二極管之間的差異僅在于結(jié)區(qū)增大的尺寸，從而降低了電流密度。這些組件提供了一些可用保護(hù)組件最快的響應(yīng)時(shí)間（通常為幾納秒），但以相對較低的能量吸收能力為代價(jià)。浪涌抑制二極管的缺點(diǎn)之一是其相對較高的成本。
壓敏電阻
壓敏電阻是與電壓相關(guān)的電阻，其中流過器件的電流對器件兩端的電壓的變化具有非線性關(guān)系。由于壓敏電阻通常使用金屬氧化物制造，因此通常稱為金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。金屬氧化物顆粒的作用類似于半導(dǎo)體結(jié)。這使它們對浪涌的響應(yīng)時(shí)間與基于二極管的組件相當(dāng)。與浪涌抑制二極管相比，它們的優(yōu)勢在于，整個(gè)器件的功率消耗很大，而不僅僅是結(jié)區(qū)。然而，缺點(diǎn)是它們在低電壓下具有更高的泄漏電流。它們還受環(huán)境因素（例如溫度）的影響更大，并且會(huì)隨著時(shí)間的流逝而退化，尤其是如果定期暴露在高電流瞬變中。
浪涌繼電器
浪涌繼電器設(shè)計(jì)用于在出現(xiàn)大電流浪涌時(shí)斷開信號線，并可以處理相對較高的功率水平。它們依靠電觸點(diǎn)的物理運(yùn)動(dòng)來形成或斷開電路。它們具有穩(wěn)定和靈敏的優(yōu)點(diǎn)，但是它們的主要缺點(diǎn)是它們的運(yùn)行速度。繼電器觸點(diǎn)充分移動(dòng)以影響電流所花費(fèi)的時(shí)間可能是幾毫秒。如果將電涌繼電器配置為在電流過大的情況下使電路斷開，則在觸點(diǎn)斷開的初始時(shí)間內(nèi)，觸點(diǎn)之間的電弧會(huì)加劇延遲。這增加了電涌電流首次出現(xiàn)到電流最終停止之間的時(shí)間。
一旦浪涌電流瞬態(tài)經(jīng)過，浪涌繼電器將重置回其默認(rèn)狀態(tài)。該操作也可能相對較慢，并且該操作的物理性質(zhì)可能使其易于產(chǎn)生被視為電路的瞬時(shí)連接/斷開的接觸反彈效應(yīng)。根據(jù)電路的性質(zhì)，這種物理反彈可能會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電影響。
電涌繼電器還需要維護(hù)以保持觸點(diǎn)清潔，或者如果觸點(diǎn)在密封的外殼內(nèi)，則需要進(jìn)行更換。觸點(diǎn)的重復(fù)操作會(huì)由于電弧和沖擊損壞引起的金屬腐蝕作用而導(dǎo)致過度磨損。
保險(xiǎn)絲
作為一站式保護(hù)裝置，防浪涌保險(xiǎn)絲提供有效的保護(hù)，并使用彈簧張緊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)時(shí)間。但是，如果瞬態(tài)浪涌電流具有快速上升的沿，則它們可能容易出現(xiàn)電壓過沖問題。它們依靠浪涌電流將金屬線熔化成設(shè)定值，而不是直接根據(jù)電勢差來確定其額定值。因此，必須將它們與電阻元件結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)然，主要缺點(diǎn)是激活后需要手動(dòng)更換保險(xiǎn)絲。必須注意，普通的保險(xiǎn)絲將無法應(yīng)對雷電引起的瞬變。必須使用專業(yè)的電涌保護(hù)保險(xiǎn)絲。
斷路器
斷路器通常設(shè)計(jì)用于電力系統(tǒng)。盡管可以將能量處理能力提高到認(rèn)為必要的任何水平，但是響應(yīng)速度約為數(shù)十毫秒，通常太慢而無法有效地抵抗短時(shí)間的瞬變。它們還需要在激活后進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，從操作的角度看，它們實(shí)際上是一鍵式保護(hù)設(shè)備。至于保險(xiǎn)絲，標(biāo)準(zhǔn)斷路器無法應(yīng)對雷電引起的瞬變。如果需要斷路器，請始終確保選擇正確額定值的斷路器來應(yīng)對此類瞬變。
電涌保護(hù)實(shí)施最佳實(shí)踐
通常會(huì)發(fā)現(xiàn)一臺設(shè)備無法提供所需的解決方案，例如響應(yīng)時(shí)間，電流能力，環(huán)境耐受性或可靠性。在這種情況下，答案很可能是將兩個(gè)或多個(gè)不同類型層疊在一起。這使設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合每種設(shè)備提供的優(yōu)勢并提高總體保護(hù)水平。最常見的組合使用的是高電流，作用相對較慢的組件，其作用較快但額定功率較低，從而將電壓和電流輸出降至最低?？梢栽诒Ｗo(hù)電路的外圍使用高浪涌電流容量的設(shè)備來轉(zhuǎn)移大部分瞬態(tài)過電壓，然后再使用更精確的設(shè)備提供全面的浪涌保護(hù)解決方案。
電涌保護(hù)設(shè)備可以根據(jù)其實(shí)現(xiàn)方式來實(shí)現(xiàn)一系列功能。它們可以將瞬態(tài)電流分流到地面，鉗位電勢差，防止過多的能量進(jìn)入電路或從信號線中濾除特定頻率。通常，它們完成這些功能的組合，以實(shí)現(xiàn)所需的端部保護(hù)。理想的電涌保護(hù)設(shè)備將至少具有鉗位電壓，可處理極高的電涌電流，并減小電涌的快速上升沿。
保護(hù)來自于通過低阻抗路徑將浪涌電流分流到大地。如果要實(shí)現(xiàn)電涌保護(hù)設(shè)備的額定性能，則必須正確設(shè)計(jì)和實(shí)施此路徑。設(shè)計(jì)或?qū)嵤┎划?dāng)?shù)霓D(zhuǎn)移路徑可能會(huì)使保護(hù)電路失效。
應(yīng)將保護(hù)應(yīng)用于設(shè)備的所有外部連接；輸出信號連接與輸入電源線和信號連接一樣容易受到影響。最顯著的風(fēng)險(xiǎn)不一定來自連接了最長電纜的連接器，而是終止于接地端的連接，該接地端實(shí)際上距離被保護(hù)設(shè)備的接地端最遠(yuǎn)。同一連接可能并不總是滿足這兩個(gè)條件。
在設(shè)備中設(shè)計(jì)浪涌保護(hù)或抑制時(shí)，在計(jì)算瞬態(tài)電壓保護(hù)要求時(shí)，必須考慮連接電纜的電感。設(shè)計(jì)應(yīng)基于最壞情況的電纜選件，以確保其對所有可能的安裝均有效。
選擇保護(hù)組件時(shí)，請記住單價(jià)與性能之間存在關(guān)聯(lián)。在計(jì)算保護(hù)元件預(yù)算時(shí)，請始終考慮被保護(hù)設(shè)備的價(jià)值。