浪涌保护器(SPD)的工作原理及构造

时间: 2021-1-18 9:22:04 发布者: admin

浪涌保护器(Surge protection Device)是电子设备雷电防护中不可短少的一种安装,过去常称为“避雷器”或“过电压维护器”英文简写为SPD。浪涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能接受的电压范围内,或将强大的雷电流泄流入地,维护被维护的设备或系统不受冲击而损坏。

浪涌保护器的类型和构造按不同的用处有所不同,但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于浪涌保护器的根本元器件有:放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑止二极管和扼流线圈等。

 

一、SPD的分类

按工作原理分:

1.开关型:其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗,但一旦响应雷电瞬时过电压时,其阻抗就突变为低值,允许雷电流经过。用作此类安装时器件有:放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

2.限压型:其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰,但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不时减小,其电流电压特性为激烈非线性。用作此类安装的器件有:氧化锌、压敏电阻、抑止二极管、雪崩二极管等。

3.分流型或扼流型

分流型:与被维护的设备并联,对雷电脉冲呈现为低阻抗,而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型:与被维护的设备串联,对雷电脉冲呈现为高阻抗,而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类安装的器件有:扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

按用处分:

(1)电源维护器:交流电源维护器、直流电源维护器、开关电源保护器等。

(2)信号维护器:低频信号维护器、高频信号维护器、天馈维护器等。

 

二、SPD的根本元器件及其工作原理1.放电间隙(又称维护间隙)∶

它普通由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成,其中一根金属棒与所需维护设备的电源相线L1或零线(N)相连,另一根金属棒与接地线(PE)相衔接,当瞬时过电压袭来时,间隙被击穿,把一局部过电压的电荷引入大地,防止了被维护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的间隔可按需求调整,构造较简单,其缺陷时灭弧性能差。改良型的放电间隙为角型间隙,它的灭弧功用较前者为好,它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。

 

2.气体放电管:

它是由互相分开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体(Ar)的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了进步放电管的触发概率,在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的,也有三极型的,

气体放电管的技术参数主要有:直放逐电电压Udc;冲击放电电压Up(普通状况下Up(2~3)Udc;工频而授电流In;冲击而授电流Ip;绝缘电阻R(>109 2 ) ;极间电容(1-5PF)

气体放电管可在直流和交流条件下运用,其所选用的直放逐电电压Udc分别如下:在直流条件下运用:Udc1.8UO (UO为线路正常工作的直流电压)在交流条件下运用:U dc1.44Un (Un为线路正常工作的交流电压有效值)

 

3.压敏电阻:

它是以Zn0为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻,当作用在其两端的电压到达一定数值后,电阻对电压非常敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特性是非线性特性好(I=CUa中的非线性系数a),通流容量大(~2KA/cm2),常态走漏电流小(10-7~10-6A),残压低(取决于压敏电阻的工作电压和通流容量),对瞬时过电压响应时间快(~10-8s),无续流。

 

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;走漏电流;响应时间。压敏电阻的运用条件有:压敏电压:UN[ ( 2×1.2)/0.7]UO (UO为工频电源额定电压)

最小参考电压:Ulma(1.8~2) Uac(直流条件下运用)Ulma(2.22.5)Uac(在交流条件下运用,Uac为交流工作电压)压敏电阻的最大参考电压应由被维护电子设备的耐受电压来肯定,应使压敏电阻的残压低于被维护电子设备的而损电压程度,即(Ulma) maxUb/K,上式中K为残压比,Ub 为被维护设备的而损电压。

 

4.抑止二极管:

抑止二极管具有籍位限压功用,它是工作在反向击穿区,由于它具有箱位电压低和动作响应快的优点,特别合适用作多级维护电路中的最末几级维护元件。抑止二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示:I=CU a ,上式中α为非线性系数,关于齐纳二极管a =79,在雪崩二极管a =57.抑止二极管的技术参数主要有

(1)额定击穿电压,它是指在指定反向击穿电流(常为lma)下的击穿电压,这于齐纳二极管额定击穿电压普通在2.9V4.7V范围内,而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V200V范围内。

 

(2)最大籍位电压:它是指管子在经过规则波形的大电流时,其两端呈现的最高电压。

 

(3)脉冲功率:它是指在规则的电流波形(10/1000 u s)下,管子两端的最大籍位电压与管子中电流等值之积。

 

(4)反向变位电压:它是指管子在反向走漏区,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维护电子系统的最高运行电压峰值,也即不能在系统正常运转时处于弱导通状态。

 

(5)最大走漏电流: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: 10-11s

5.扼流线圈:扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑止器件,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,构成一个四端器件,要关于共模信号呈现出大电感具有抑止作用,而关于差模信号呈现出很小的漏电感简直不起作用。扼流线圈运用在均衡线路中能有效地抑止共模干扰信号(如雷电干扰),而对线路正常传输的差模信号无影响。

 

这种扼流线圈在制造时应满足以下请求:

1)绕制在线圈磁芯上的导线要互相绝缘,以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发作击穿短路。

2)当线圈流过瞬时大电流时,磁芯不要呈现饱和。

3)线圈中的磁芯应与线圈绝缘,以避免在瞬时过电压作用下两者之间发作击穿。4)线圈应尽可能绕制单层,这样做可减小线圈的寄生电容,加强线圈对瞬时过电压的而授才能。

 

6.1/4波长短路器

1/4波长短路器是依据雷电波的频谱剖析和天馈线的驻波理论所制造的微波信号浪涌保护器,这种维护器中的金属短路棒长度是依据工作信号频率(90OMHZ1800MHZ)1/4波长的大小来肯定的。此并联的短路棒长度关于该工作信号频率来说,其阻抗无量大,相当于开路,不影响该信号的传输,但关于雷电波来说,由于雷电能量主要散布在n+KHZ以下,此短路棒关于雷电波阻抗很小,相当于短路,雷电能量级被泄放入地。

由于1/4波长短路棒的直径普通为几毫米,因而耐冲击电流性能好,可到达30KA(8/20 u s)以上,而且残压很小,此残压主要是由短路棒的本身电感所惹起的,其缺乏之处是工频带较窄,带宽约为2%~20%左右,另一个缺陷是不能对天馈设备加直流偏置,使某些应用遭到限制。

 

三、SPD的根本电路

浪涌保护器的电路依据不同需求,有不同的方式,其根本元器件就是上面引见的几种,一个技术通晓的防雷产品研讨工作者,可设计出五花八门的电路,好似一盒积木可搭出不同的构造图案。研制出既有效又性能价钱比好的产品,是防雷工作者的重担。