三浪涌通过防护器件的电压对比

一引言

雷击是指带电云层之间或带电云层和地面之间相互靠近产生的一种放电现象。这个放电过程会产生强烈的闪电和巨大的声线，并随着大量的能量传递。雷击对电子设施具有灾害破坏。雷击浪涌冲击波可通过户外传输线路、设备间的连接线以及电力线侵入设备，使串接在线路中间或终端的电子设备遭到损害。雷击大地或接地导体，引起局部瞬间电位上升，波及附近的电子设备，对设备产生冲击，损害其对地绝缘。

二浪涌防护器件

由于浪涌脉冲的脉宽较宽，低通滤波器对它的作用很有限，一般采用专门的浪涌抑制器件对它进行抑制。浪涌抑制器件的一个共同特性就是阻抗在有浪涌电压与没浪涌电压时不同，正常电压下，它的阻抗很高，对电路的工作没有影响，当有很高的浪涌电压加在它上面时，它的阻抗变得很低，将浪涌能量旁路掉。常用的浪涌抑制器件有压敏电阻、瞬态抑制二极管（TVS二极管）和气体放电管，这些器件都具有图2所示的特性，当浪涌电压超过一定值时，流过它们的电流突然增加，这表示它们的阻抗突然变得很低。这类器件的使用方法是并联在线路与参考地之间，当浪涌电压出现时，它们迅速导通，从而将电压幅度限制在一定的值，保护后端电路，如图2所示。

1.压敏电阻

压敏电阻是一种在由氧化锌颗粒压制而成的片子上焊接上引线，然后用绝缘材料封装而成的器件。当流过压敏电阻的浪涌电流增加时，它的电阻会减小，能够将电压钳制在一定的数值，但是由于压敏电阻的电阻降低并不是与流过的电流成完全的反比关系，因此，它上面的电压随着电流增加会有所增加。

压敏电阻中的氧化锌颗粒之间构成了类似于PN结的结构，具有二极管的特性。整个压敏电阻相当于大量的二极管并联和串联。由于有些PN结是正向偏置，有些是反向偏置的，因此，压敏电阻的特性是双向的，类似于两个背靠背的二极管。

显然，串联的PN结越多，压敏电阻的导通电压越高。因此，压敏电阻器件的厚度决定了它的导通电压。并联的PN结越多，压敏电阻承受电流的能力越强，因此，压敏电阻的面积决定了它的承受电流能力。

压敏电阻的一个缺点是钳位电压不是一个确定的数值，而是与流过压敏电阻的电流有关，压敏电阻上的电压（一般称为钳位电压）等于流过压敏电阻的电流乘以压敏电阻的阻值，流过压敏电阻的电流越大，压敏电阻上的电压越高，压敏电阻上的电压在浪涌电流的峰值处达到最高，这个电压会超过交流电峰值的30%。因此，压敏电阻的保护效果较差。

压敏电阻的另一个缺点是，有些颗粒在遭受浪涌的冲击后会被损坏，呈现短路状态，这时相当于串联的PN结减少了，因此整个压敏电阻的导通电压值就会降低。当压敏电阻的导通电压低于电源的峰值电压时，电源的功率电流就会流过压敏电阻，使压敏电阻过热而损坏，可能会发生爆炸，造成安全问题，因此一般不建议使用压敏电阻。

2.瞬态抑制二极管

瞬态抑制二极管（TVS）是一种广泛应用在信号线上的浪涌保护器件。

TVS的优点是响应时间短、钳位电压低（相对于工作电压）。但是由于所有功率都耗散在二极管的PN结上，因此它所承受的功率值较小，允许流过的电流较小。

一般TVS的寄生电容较大，如在高速数据线上使用，要用特制的低电容器件，但是低电容器件的额定功率往往较小，仅适合于浪涌能量较小的场合。如果浪涌能量较大，要与其他大功率浪涌抑制器件一同使用，TVS作为后级防护。

3.气体放电管

气体放电管是一种常用的浪涌保护器件，如图所示。气体放电管的工作原理是利用金属电极之间的放电特性。也就是，当金属电极之间的电压超过一定数值时，电极之间的气隙会发生击穿，形成通路，这个通路的电阻很低，接近短路，因此可以旁路掉浪涌电压的能量。气体放电管有两极的和三极的两种，三极的气体放电管实际上相当于两个气体管封装在一个容器内。

电极之间的击穿有两种机理，一种是气体的电离现象。这种现象是，当加在气体上的电场强度较强时，气体中的自由电子或离子会获得足够能量，撞击其他原子或分子，产生更多的自由电子和离子，形成导电气体，这种状态称为气体电离。当电极之间的气体发生电离时，会发生一种能自行维持的辉光放电过程，这时只需要较低电压就能维持其电离状态。这个维持电压与触点的距离无关，在空气中大约为300V。另外，为了维持导通，还需要一个最小电流，通常为几毫安。

电极之间的击穿导通还有另一种机理，这就是电弧放电。这种现象的机理是，金属表面的自由电子在外部场强的作用下，会被拉到空间，脱离金属表面的约束，成为空间的自由电子。电子离开金属表面后，在外界电场的作用下从阴极向阳极运动，到达阳极后，使电极局部温度很高，这可能使金属升华，形成了一个金属气体桥，这就是弧光放电。一旦形成了金属气体桥，仅需很低的电压和电流就能够维持弧光放电的过程，一般维持电压为10~30V，维持电流为1A。而诱发弧光放电需要的场强大约为5kV/cm。

气体放电管的优点是能够承受较大的电流，气体放电管的通流能力与管径有关，管径越大，通流能力越大。气体放电管的质量问题主要表现为慢性漏气、长时间使用的可靠性问题（即遭受多次雷电冲击后，直流击穿电压值发生偏移）、光敏效应和离散性较大。

另外，由于维持它导通所需要的电压很低，因此当浪涌电压过后，只要加在气体放电管上的电压高于维持电压，它就会保持导通。在交流场合应用时，只有当交流电过零点时，它才会断开，因此会有一定的跟随电流，由于跟随电流的时间较长，会导致放电管触点迅速烧毁，缩短放电管的寿命。由于气体放电管的这种特性，它不适合于用在电压值较高的直流场合，这时可能会发生电弧断不开的情况，引起电源保护装置动作。

4.浪涌防护器件特性对比

图7 浪涌防护器件特性对比

 

三浪涌通过防护器件的电压对比

可以对比出三者的导通电压瞬态抑制二极管最小、压敏电阻次之、气体放电管最大而且残压高，由于压敏电阻和气体放电管的通流容量大，因此比较适用于一级防护，而瞬态抑制器的响应速度快、钳位电压低，比较适合用于二级防护。以上是对浪涌器件的理解，后期给大家提供一级防护、二级防护、三级防护时防护器件的选型和如何搭配才能防护更大的浪涌。

责任编辑：haq