突波保护器(SPD)工作原理及架构.pdf

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1、突波保護器（SPD）工作原理及架構突波保護器(SurgeprotectionDevice)是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為“避雷器＂或“過電壓保護器＂英文簡寫為SPD。突波保護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備或系統所能承受的電壓範圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受衝擊而損壞。突波保護器的類型和結構按不同的用途有所不同，但它至少應包含一個非線性電壓限製元件。用于突波保護器的基本元器件有︰放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極體和扼流線圈等

2、。一、SPD的分類︰按工作原理區分︰1．開關型︰其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現為高阻抗，但一旦附應雷電瞬時過電壓時，其阻抗就突變為低值，允許雷電流透過。用作此類裝置時器件有︰放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。2．限壓型︰其工作原理是當沒有瞬時過電壓時為高阻擾，但隨突波電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強烈非線性。用作此類裝置的器件有︰氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極體、雪崩二極體等。3．分流型或扼流型分流型︰與被保護的設備並聯，對雷電脈波呈現為低阻抗，而對正常工作頻率呈現為高阻抗。扼流型

3、︰與被保護的設備串聯，對雷電脈波呈現為高阻抗，而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。用作此類裝置的器件有︰扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長短路器等。依用途區分︰(1)電源保護器︰交流電源保護器、直流電源保護器、開關電源保護器等。(2)信號保護器︰低頻信號保護器、高頻信號保護器、天饋保護器等。二、SPD的基本元器件及其工作原理︰1．放電間隙(又稱保護間隙)︰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設備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線(PE)相連

4、接，當瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿，把一部分過電壓的電荷引入大地，避免了被保護設備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調整，架構較簡單，其缺點時滅弧性能差。改進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冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提升放電管的觸發機率，在放電管內還有助觸發劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，氣體放電管的技術參數主要有︰直流

5、放電電壓Udc;衝擊放電電壓Up(一般情況下Up≒(2～3)Udc;工頻而授電流In;衝擊而授電流Ip；絕緣電阻R(>109Ω)；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︰Udc≧1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓）在交流條件下使用︰Udc≧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體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數值後，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當

6、于多個半導體P-N的串並聯。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CUα中的非線性系數α），通流容量大（～2KA/cm2），常態洩漏電流小（10-7～10-6A），殘壓低（取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓附應時間快（～10-8s），無續流。壓敏電阻的技術參數主要有︰壓敏電壓（即開關電壓）UN，參考電壓Ulma；殘壓Ures；殘壓比K(K=Ures/UN)；最大通流容量Imax；洩漏電流；附應時間。壓敏電阻的使用條件有︰壓敏電壓︰UN≧[（√2×1.2）/0.7]U0（U0為工頻電源額定電壓

7、）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由被保護電子設備的耐受電壓來確定，應使壓敏電阻的殘壓低于被保護電子設備的而損電壓水準，即(Ulma)max≦Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護設備的而損電壓。4．抑制二極體︰抑制二極體具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區（圖19），由於它具有箝位電壓低和動作附應快的優點，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極體在擊穿區

8、內的伏安特性可用下式表示︰I=CUα，上式中α為非線性系數，對于齊納二極體α=7～9，在雪崩二極體α=5～7。抑制二極體的技術參數主要有：A.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，這于齊納二極體額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V範圍內，而雪崩二極體的額定擊穿電壓常在5.6V～200V範圍內。B.最大箝位電壓︰它是指管子在透過規定波形的大電流時，其兩端出現的最高電壓。C.脈波功率︰它是指在規定的電流波形（如10/