防雷元器件的基础知识

本文介绍了瞬态抑制二极管（TVS）、玻璃放电管、 压敏电阻、陶瓷气体放电管、半导体放电管、自恢复保险丝等元器件的工作原理、参数及应用。

瞬态抑制二极管（TVS）

TVS瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor）的简称 .
工作原理：
并联于线路中，在正常工作状况下，TVS 二极管对受保护线路呈现高阻抗状态，当线路工作电压超过，它能以pS级的速度把过高的电压限制在一个安全范围之内，从而起到保护后面电路的作用。当这瞬间电流通过之后，TVS又回复到高阻抗之状态
特性：
优点:   1.响应速度最快（为ps级）
    2.击穿电压有从5V～600V的系列值
    3. 瞬态功率从400W至30,000W
4.钳制电压比较准确
缺点: 1.结电容比较大
    2.冲击电流小
参数：
①反向断态电压VRWM：表示TVS管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
②击穿电压VBR：TVS管通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压（TVS管的击穿电压有±5%的误差范围）。
③脉冲峰值电流IPP：TVS管允许通过的8/20μs波的最大峰值电流
④最大箝位电压VC：TVS管流过峰值电流IPP时所呈现的电压
选型：
1. 最大箝位电压VC<=被保护设备最大的安全电压
2. 反向工作电压（反向断态电压）>线路正常工作电压
3. 交流电压只能用双向TVS
分类（功率大小）：
贴片型 ： SMAJ、P4SMAJ(400W),SMBJ、P6SMBJ(600W),SMCJ、SMDJ、1.5SMCJ(1500W) 5.0SMDJ(5000W)
轴向引线：P4KE(400W),SA(500W),P6KE(600W),1.5KE(1.5kW),3KP(3kW)5KP(5kW) 15KP(15KW) 20KP(20KW
低电容 ： (CCD) SAC(500W,50 Pf),LCE(1.5kW,100 pF)
应用：
广泛应用在半导体及敏感的电子零件过电压、ESD保护上，主要包括：消费类产品、工业产品、通讯、电脑、汽车、电源供应品、信号线路保护及军事、航天航空导航系统及控制系统上;
竟争对手：
高档：Onsemi GS 摩托罗拉
中档：Gd 丽正 强茂(PEC) 固得 台半
低档：飞达(FD) 银河 星河 康比 茂龙(ML)
封装及包装数量
SA P6KE           3K           DO-15  
1.5KE           1.25K           DO-201AD
P4KE             5K           DO-41
SMAJ         1.8K/7.5K           DO-214AC
SMBJ         0.5K/3K           DO-214AA
SMCJ SMDJ     0.5K/3K           DO-214AB
3KP             0.4K           P-600

玻璃放电管
工作原理
玻璃放电管由封装在充满惰性气体的玻璃管中相隔一定距离的两个电极组成。中间所充的气体主要是氖或氩, 并保持一定压力。当其两端电压低于放电电压时，气体放电管是一个绝缘体(电阻Riso>100M？)。当其两端电压升高到大于放电电压时，产生弧光放电，气体电离放电后由高阻抗转为低阻抗, 使其两端电压迅速降低。玻璃放电管受到瞬态高能量冲击时，它能以10-9秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，通过高达千安量级的浪涌电流。
特性：
它有陶瓷气体放电管和半导体过压保护器的优点：
优点：绝缘电阻高（≥108Ω）,极间电容小（≤0.8pF）、放电电流较大（最大达3 kA）、双向对称性、反应速度快,导通后电压较低，此外还有直流击穿电压高（最高达5000V）、体积小、寿命长。
缺点：是直流击穿电压分散性较大（±20%）。按它的8/20μs波脉冲放电电流IPP的大小分为YP、YS、YA三个系列。
使用方法：
①玻璃放电管既可以用作电源电路的保护，也可以用作信号电路的保护；既可以用作共模保护，也可以用作差模保护。但只能用在浪涌电流不大于3kA的地方。
②直流击穿电压VS的选择：直流击穿电压VS的最小值应大于可能出现的最高电源峰值电压或最高信号电压。
③在有可能出现续流的地方（如电源电路）使用时，必须串联限流电阻或自恢复保险丝，防止玻璃放电管击穿后长时间导通而损坏。
分类：
按8/20μs波通流容量分为三个系列：
BK3/YP（0.5A）
BK2/YS （1KA）
BK1/YA （3KA）

国际通用的色环对照
0---黑色
1---棕色
2---红色
3---橙色
4---黄色
5---绿色
6---蓝色
7---紫色
8---灰色
9---白色
应用：
BK微型放电管（Surge Absorber）是20世纪90年代末跨世纪的产品，该产品一经问世，立即受到世界许多国家的瞩目，它广泛应用于供电、数据、信息接收、医疗器械、通讯、消费类产品，高频电路、3G通讯产品、通讯基站设备及其他静电通讯及家电等系列产品，并在许多国家取得专利。
a、用于供电（YA或YS系列）
b、用于数据传递装置（YA或YS系列）
c、天线装置或天线/信号电路包括可动部件 （YS或YP系列）
d、抗静电装置（YS和YP系列）
e、多种医疗器械（YA、YS或YP系列）

压敏电阻
构造及物理特性：
压敏电阻是一种用得最多的限压器件。压敏电阻有碳化硅压敏电阻和氧化锌压敏电阻。常用的是氧化锌（ZnO）压敏电阻，它主要是以氧化锌为原料，添加多种微量金属氧化物，它的外面包封环氧树脂(可添加颜料).
它相当于一个可变电阻，并联于电路中的。当电路在正常使用时，压敏电阻的阻抗很高，漏电流很小，可视为开路，对电路几乎没有影响。但当一很高的突波电压到来时，压敏电阻的电阻值瞬间下降，使它可以流过很大的电流，同时将过电压箝位在一定数值。由于压敏电阻的突波承受能力取决于它的物理尺寸，因而有可能获得不同的浪涌电流值.

优点：通流量大，最大可达70KA。
响应速度效快，对于急速的电涌响应一般小于10ns。
功耗小，正常工作状态下，漏电流为μA(微安)数量级。
成本低，价格廉。
缺点：可靠性较差，易老化，不可恢复性
应用：
广泛的应用在汽车电子、通迅、计算机、消费类电子产品、军用电子产品等方面，特别是在LCD、键盘、I/O接口、IC、MOSFET、CMOS、传感器、手机、DVD、AV、ABS、马达控制板、MP3、PDA、USB接口及高速数据信号线路上进行保护等。
技术参数：
压敏电压U1mA： 通常以在压敏电阻上通过1mA直流电流时的电压来表示其是否导通的标志电压，这个电压就称为压敏电压UN或U1mA，，我们有时也把它叫做击穿电压。压敏电压的误差范围一般是±10%。
在试验和实际使用中，通常把压敏电压从正常值下降10%作为压敏电阻失效的判据。
压敏电阻的压敏电压范围：18V～1800V。
最大持续工作电压 ACrms/DC： 指压敏电阻能长期承受的最大交流电压Uac (有效值)或最大直流电压值Udc。一般Uac≈0.64U1mA；Udc≈0.83U1mA 。
续工作电压不需进行计算，可直接在产品技术参数第一列查找Maximum Allowable Voltage的值，如标称电压470V的压敏电阻的最大持续工作电压就是AC300V或DC385V。这个参数是选型的重要依据。
限制电压（箝位电压）VC ： 当压敏电阻流过某一脉冲电流时，在压敏电阻两端显现的电压最大值。技术规格书中的最大箝位电压是在给定的脉冲电流下的值（ 5D是5A，7D是10A， 10D是25A， 14D是50A， 20D是100A）。 实际使用中，压敏电压越高，流过的冲击电流越大，限制电压（或称残压）就越高。其数值可从产品的U-I曲线上查到。
通流量（最大冲击电流）Imax：按规定的时间间隔和次数，在压敏电阻上施加8/20μs波冲击时，通过的最大电流值称为冲击通流容量，简称通流量。冲击的次数越多，每次冲击的电流就应越小。见技术规格书中的“浪涌寿命次数定额”。
漏电流Ip（μA）：压敏电阻在额定直流电压（一般为0.83 U1mA）作用下流过的电流，称为漏电流。
极间电容 ：是由压敏电阻的面积大小及压敏电压来决定的，电容的大小会影响压敏电阻器件的响应时间。一般压敏电阻的极间电容大于500PF，因此，通信信号线一般不用它进行保护，因为它会产生信号的损失。
耐冲击能量：压敏电阻瞬间吸收的焦耳能量。它的计算公式为： E=K*Vc*Ip*T 式中： K----是一个常量系数，视不同的脉冲波形而定：K=1 是一种均匀分布的波形，K=1.4为10/1000和8/20μs的波形。 Vc----是最大箝位电压 。   Ip----是最大通流量。   T----是脉冲持续的时间。
使用：
压敏电阻器应该在其额定的参数条件以内工作，否则有可能导致压敏电阻发热劣化、甚至击穿的后果。压敏电阻的失效模式主要为短路，如果短路时间过长，会发生爆炸、起火，损坏周边的部件；也有可能出现开路。
选型：
1． 压敏电阻的工作环境：
应该在技术条件规定的范围以内：
  环境温度：－40C～＋85 ℃ ；
  相对湿度：＋40±2℃时，最大可达96％ ；
  大气压力：达8.5KPa。
2．压敏电压的选取
      取。连续施加在压敏电阻两端的电源电压，不能超过规格表中列出的¡°最大持续工作电压¡±值。
3．还要充分考虑到电网（或电路）工作电压的波动幅度, 选取压敏电阻的压敏电压值时，要留有足够的余量。国内一般的波动幅度为30%。
4．根据电路上可能感应的最大浪涌电流选取压敏电阻的大小。通过压敏电阻的最大浪涌电流不应超过技术规格书中的¡°最大冲击电流¡±值(也就是最大通流量)。考虑到要耐受多次冲击时，应该选用能耐受10次以上冲击的浪涌电流值。
5．压敏电阻的箝位电压必须小于被保护的部件或设备能承受的最大电压（即安全电压）。
6．当浪涌脉冲以很短的间歇重复施加于压敏电阻时，设计师应计算此时的平均功率，并应该使其低于规格表中列出的¡°额定功率¡±。
7．压敏电阻不应该靠近发热或可燃元器件安装，最好要有大于3毫米的间隔，以免损坏其它元器件。
分类：
按外形分：圆形、方形（ 34Χ34）。
按圆形的基片直径分：Φ5﹑Φ7﹑Φ9﹑Φ10﹑Φ14﹑Φ20﹑Φ25 Φ32﹑Φ34﹑Φ40﹑Φ53。
按电压分：低 ：压敏电压18～82V;   中 ：100V~510V;   高 ：560V~1800V。
按吸收能量分：标准的和高焦耳的。
压敏电阻的测试方法
(1)测压敏电压时，通过的规定电流为1mA。
(2)最大连续交流电压或直流电压与温度的关系：
竞争对手
国外品牌:西门子(EPCOS),舜全(CNR),维勤(GVR),联顺(ZOV),嵩隆(SAS,VDR),光基(ZNR)
国内品牌:西无二厂(MYG),陕西华星,汕头鸿志(HEL),佛山科星(KVR),贵州飞舸.

           

陶瓷气体放电管
概述：
陶瓷气体放电管是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关器件，串联于线路中，可用在交直流电源、各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷电流泄放入大地。
它是把一对放电间隙封装在充以放电介质（惰性气体)的陶瓷管中构成的。
按电极数分，有二极放电管和三极放电管（相当于两个二极放电管串联）两种。其外形为圆柱形,有带引线和不带引线两种结构形式（有的还带有过热时短路的保护卡）
原理：
陶瓷气体放电管的基本原理就是气体放电。常用的放电管脉冲击穿电压在几百伏到一千多伏，放电管原先处于断路状态，电阻很大，电容很小。一旦脉冲过压达到放电管的脉冲击穿电压，极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，管内气体电离，放电管导通，由原来的断路状态变为近似短路。这时放电管导通电阻很小，可以通过很大的冲击电流从而将浪涌电流泄放到地，使与放电管联接的其它器件和电路避免受到浪涌冲击而损坏。
应用：
用于电源防雷器共模电路中将雷电流泄放入地，也可用在差模电路中与压敏电阻串联而阻断其漏电流。在信号防雷器中常用于第一级泄放浪涌电流，由于其反应速度慢，还要用第二级作限压保护。
陶瓷气体放电管属于开关组件，导通时两端电压很低，不能直接用在有源电路中作差模保护。必须用时，应串联限流组件，以防导通时形成过大的电流而损坏，甚至引起火灾；浪涌过后能恢复至断路状态。
特点：
优点：通流容量大，极间电容小（≤3pF），绝缘电阻高（≥109Ω），基本没有漏电流；
缺点：击穿电压分散性较大（±20%），反应速度较慢（最短为0.1～0.2μs），可靠性较差，多次冲击易老化。
选型:
不能直接用在电源上做差模保护
击穿电压>线路上最大信号电频电压
耐电流>=线路上可能出现的最大异常电流
脉冲击穿电压<被保护线路电压

主要特性参数有：
① 直流击穿电压Vsdc：在放电管上施加100V/s的直流电压时的击穿电压值。这是放电管的标称电压，常用的有90V、150V、230V、350V、470V和600V等几种。其误差范围：一般为±20%，也有的为±15%，还有个别的为±10%或±5%。
②脉冲（冲击）击穿电压Vsi：在放电管上施加1kV/μs的脉冲电压时的击穿电压值。因反应速度较慢，脉冲击穿电压要比直流击穿电压高得多。
③ 冲击放电电流Idi：分为8/20μs波（短波）和10/1000μs波（长波）冲击放电电流两种。一般以8/20μs波用得较多。冲击放电电流又分为单次冲击放电电流（8/20μs波冲击1次）和标称冲击放电电流（8/20μs波冲击10次），一般后者约为前者的一半左右，有2.5 kA、5 kA、10 kA、20 kA……等规格。
④耐交流（工频）电流Idac：放电管能耐受交流（工频）电流放电1秒钟/次、放电10次的电流额定值。
使用指导：
① 快速脉冲冲击下，陶瓷气体放电管气体电离需要一定的时间（一般为0.2～0.3μs，最快的也有0.1μs左右），因而有一个幅度较高的尖脉冲会泄漏到后面去。若要抑制这个尖脉冲，有以下几种方法：a、在放电管上并联电容器或压敏电阻；b、在放电管后串联电感或留一段长度适当的传输线，使尖脉冲衰减到较低的电平；c、采用两级保护电路，以放电管作为第一级，以TVS管或半导体过压保护器作为第二级，两级之间用电阻、电感或自恢复保险丝隔离。
② 流击穿电压VS的选择：直流击穿电压VSdc的最小值应大于可能出现的最高电源峰值电压或最高信号电压的1.2倍以上。
③ 击放电电流的选择：要根据线路上可能出现的最大浪涌电流或需要防护的最大浪涌电流选择。放电管冲击放电电流应按标称冲击放电电流（或单次冲击放电电流的一半）来计算。
④ 陶瓷气体放电管因击穿电压误差较大，一般不作并联使用。
⑤ 续流问题：为了使放电管在冲击击穿后能正常熄弧，在有可能出现续流的地方（如有源电路中），可以在放电管上串联压敏电阻或自恢复保险丝等限制续流，使它小于放电管的维持电流。
按8/20μs波通流容量有：
H（2.5KA）、K（3KA）、L（5KA）、M（10KA）、N（15KA）、P（20KA）、W（50KA）、X（60KA）、Y（80KA）、Z（100KA）{尺寸大小影响通流量，10KA内影响效小}

#p#半导体放电管
#e#半导体放电管
特点:
精确的导通电压，快速的响应速度（小于1ns）、浪涌吸收能力强、电容值低、双向对称、可靠性高、能实现多路保护。
应用:
广泛应用在网络通讯及消费类电子产品、高速数据传输设备（T1/E1、XDSL、ISDN、HDSL、CATV、SLIC等）上.
选型：
VRM截止电压>=线路中最大工作电压
VS最大箝位电压<=被保护电路中瞬态安全耐压值
分类：
支插：BK(SDT)58S系列，BK(SDT)3072系列，BK(SDT)1602系列，BK200S系列，BK(SDT)4802系列，P0080系列，,P2300系列 ,P2600系列， P3100系列等。
贴片：SDT3010系列，SDT3021系列，P1500系列，P3500系列等。

#p#自恢复保险丝
#e#自恢复保险丝
工作原理：
是一种正温度系数聚合物热敏电阻。正常时阻值很小，当电路出现过流使它的温度升高时，阻值急剧增大几个数量级，从而使电路中的电流减小到安全值以下，其效果与开关组件类似，只是响应速度较慢。
结构：
由高分子聚合物与导电的碳粒子组成
过流保护：
PPTC组件串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作；当电路发生短路或窜入异常大电流时，PPTC组件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。
特性参数：自恢复保险丝的主要特性参数有以下几个：
①保持电流IH：不会使电阻值突变的最大电流。
②触发电流IT：能使电阻值突然变大的最小电流。
③动作时间Ttrip：通过5IH（LP系列）或3IH（LBR系列）或规定电流（其它系列）                   的最大动作时间。电流越大或/和温度越高，则动作时间越短。
④最大电压Vmax：在额定电流下能承受的最大电压，有时也用能承受的最大冲击电压Vmax interrupt。
⑤最大电流Imax：在额定电压下能承受的最大故障电流。
⑥动作功率Pdtyp：动作状态下的消耗功率。
⑦静态电阻R：在不加电的情况下电阻值应在静态电阻最小值Rmin和最大值Rmax所确定的范围之内，即Rmin≤R≤Rmax。
选型：
1. 设备的工作电压<自恢复保险丝的最大电压
2. 设备的工作电流<自恢复保险丝的保持电流
应用：  
一、电讯及网络
用户终端设备
模拟/模拟线路卡
T1/E1设备
ISDN设备
ASDL设备
HDSL设备
总配线架保安单元
有线电话/中心局至   用户电缆线