瞬态抑制装置和设备及抑制器摘要

瞬态抑制设备可以显着减少由于过压尖峰和浪涌而释放的能量。

我们希望我们使用的交流或直流电源供电我们的电路既干净又管理良好。然而，作为微控制器项目的一部分，交流感应负载的切换或直流继电器触点和直流电机的切换都会产生难以维持的电源质量。

这些电感当某些形式的电感或电抗负载（例如电动机，电磁线圈或继电器线圈）突然关闭时，会发生开关瞬变。其磁场的快速塌陷引起瞬态电压，该瞬态电压叠加在稳态电源上。这些感应开关电压瞬变可以达到1000伏特。

由于先前存储的能量（电感或电容）的突然释放，瞬态是电路中发生的非常陡的电压阶跃在高压瞬态或浪涌中产生。由于某些开关动作而突然释放回到电路中的能量以陡峭的能量脉冲的形式产生瞬态电压尖峰，理论上可以是任何无限值。

这种高dv / dt瞬态开关尖峰可以存在很短的时间（毫秒或微秒），或者它们可以在短时间内经常发生例如，每天随机两到三次。

我们还必须意识到电压瞬变并不总是从零伏特开始或在一个周期开始时，而是可以叠加到另一个电压电平上。无论哪种方式，瞬态都很糟糕，因为它们会损坏电子设备，因此需要进行抑制和控制。

瞬态抑制设备可以采用多种形式，从电弧触点，滤波器到固态半导体器件。离散半导体瞬态抑制装置，如金属氧化物压敏电阻或MOV，是迄今为止最常见的，因为它们具有各种能量吸收和电压额定值，因此可以严格控制不需要的和潜在破坏性的瞬态或超过电压尖峰。

瞬态抑制装置可以与负载串联使用，以衰减或降低瞬态的能量值，防止其通过电路传播，或者它们可以与负载并联使用将瞬变转移到地，通常接地，从而限制或钳位残余电压。

通常使用与负载电路串联的低通滤波器来实现电压瞬变的衰减。当发生电压瞬变时，它通常是快速移动的高频尖峰，因此滤波器衰减或阻止此高频瞬态，同时仍允许低频功率或信号分量继续不受干扰。瞬态衰减器的一个很好的例子是电源滤波延长线。

通常使用电压钳型设备或使用通常称为撬棒型设备来实现瞬态转移。这些并联连接的器件具有非线性阻抗特性，因为流经它们的电流与欧姆定律给出的端子间电压不成线性关系。

电压钳位器件（如MOV）具有可变阻抗，具体取决于流经器件的电流或其端子上的电压。在正常稳态工作条件下，器件提供高阻抗，因此对连接电路没有影响。

然而，当发生电压瞬变时，器件的阻抗会改变，从而增加通过的电流。当器件上电压上升时。结果是瞬态电压的明显钳制。钳位器件的伏安特性通常取决于时间，因为电流的大幅增加导致器件耗散大量能量。

Crowbar设备是另一种类型的瞬态抑制设备，它可以通过开关类型的开启动作将电压尖峰转移离开电路。 Crowbar器件在操作上类似于齐纳二极管，因为在正常稳态条件下它们对电路没有影响。当检测到瞬态时，它们会快速切换到“ON”，提供一个非常低的阻抗路径，使瞬态偏离并联负载。

然后，离散瞬态抑制设备可分为三个基本类别，具体取决于关于它们的连接和操作类型。

串联（阻塞）连接的低通滤波器。

并行（分流）连接电压钳和电压快门。

并联（分流）连接的Crowbar设备。

这可以显示为：

瞬态抑制设备

系列瞬态抑制滤波器

交流电源线上的瞬态可以从几伏到正常电源电压以上几千伏。抑制或阻止这些瞬态使用滤波器电路的抑制装置通过将100Hz滤波器与所连接的负载串联插入来有效地消除这些电源产生的瞬变。

快速开关电压瞬变的频率分量可以高得多比AC源缓慢移动的基频。因此，衰减和控制这些不需要的瞬态的一个明显选择是在源和负载之间使用低通滤波器部分。

低通滤波器，如LC滤波器，可用于衰减任何高频瞬变，允许低频电源或信号不受干扰地通过。最简单形式的瞬态抑制滤波器是直接放置在电源线上的电阻器 - 电容器RC滤波器，用于衰减任何高频瞬态。

用于交流电源应用的滤波器通常包括电感和电容器多级LC滤波器，其衰减程度取决于滤波器中LC级的数量。典型的串联交流电源瞬态抑制滤波器如下所示。

典型瞬态抑制滤波器

这种基本的两级低通AC滤波器在整个频率范围内提供线对线和线对地之间的高插入损耗，通过阻止任何高频瞬态和噪声到达，提供有效的瞬态电压保护连接的负载设备。此外，除了降低电压尖峰和瞬变外，这些主电源滤波器还可以帮助消除电源发出的任何射频干扰或发射。

电压钳位瞬态抑制器

电压钳位器用于限制电路中瞬态的幅度。电压钳位器件在超过预设阈值电压时开始导通，然后在过电压降至其阈值电平以下时返回非导通模式。因此，钳位器件会将过压尖峰钳位到安全水平。

电压钳位器件通常放置在电源两端并与负载并联，以防止任何不需要的高dv / dt电压瞬变。电压钳可以像直流电源上的齐纳二极管一样简单，但对于双向AC电源，我们需要使用金属氧化物变阻器（MOV），抑制二极管或电压相关电阻（VDR）来实现过压保护。

请注意，电压钳制设备会转移浪涌电流，它们不像过滤器那样吸收它们，因此必须注意确保用于转移瞬变的路径不会产生或产生电路本身的问题。 / p>

齐纳二极管瞬态抑制器

齐纳二极管用于保护直流电源（单向），因为它们在正向偏置方向上表现得像普通二极管，但在反向偏置时会发生故障并导通方向。因此，齐纳二极管的反向击穿电压V Z 可用作参考电压或钳位电压电平。

在反向和低于齐纳击穿电压的情况下，V Z 齐纳二极管对电源具有高阻抗，并且传导非常小的漏电流。然而，当齐纳二极管上的电压大于其齐纳电压时，随着其导通电压逐渐增加，它开始击穿，随着其两端的电压增加，表现出一条到过压瞬态的极低阻抗路径。

齐纳瞬态抑制

当连接电源或受保护的元件时，齐纳二极管实际上是“不可见的”，直到瞬态电压出现为它具有低于其反向击穿电压的高阻抗和高于其反向击穿电压的低阻抗。

当齐纳二极管处于击穿工作模式时，即在抑制瞬态时，二极管将其钳位当瞬态电压低于齐纳电压V Z 时，电压立即将尖峰限制在安全水平，然后恢复正常。那么钳位电压V C 因此等于齐纳二极管的反向击穿电压。由于这些钳位特性，齐纳二极管用于抑制瞬态，因为它可以将潜在的破坏性电流钳制在远离受保护负载的位置。

齐纳二极管的浪涌电流和功率容量与其结区大致成正比。大多数齐纳二极管设计用于低功率和低电压工作。齐纳二极管设计用于在更高的电压水平下工作并吸收更高的浪涌电流而不会损坏，称为<雪崩二极管。

我们之前说过，单个齐纳二极管只能用于瞬态由于它们的正向偏置二极管特性，抑制了稳态DC电源。但是通过“背靠背”连接两个齐纳二极管，我们可以在双向交流电源上使用它们的钳位特性。

齐纳瞬态抑制

通过背靠背连接两个齐纳二极管，我们现在可以保护正半周期免受一个齐纳二极管的过压瞬变和负半周期的影响。

如果两个齐纳二极管具有相同的反向击穿电压，然后任一极性的瞬态电压将被钳位在相同的齐纳电压电平，因为一个齐纳二极管将有效地处于其反向偏置模式，而另一个将处于其正向偏置模式。

虽然两个背靠背齐纳二极管可用于瞬态抑制交流电源，但瞬态电压抑制器（TVS）器件可用于内置于单个器件中的相对结点，使其成为交流电的理想选择电力应用。双向雪崩二极管具有各种电压和功率水平。

MOV瞬态抑制器

齐纳二极管和快速恢复雪崩二极管在钳位过电压时具有快速作用和有效性，常见的过压抑制钳位技术是使用金属氧化物压敏电阻或MOV。除了高额定电压外，金属氧化物压敏电阻还能够以较慢的速率处理更大的浪涌电流，并且可以用于直流和交流电源线，以防止电压过高，例如过压瞬变。

MOV是一个半导体电压相关的可变电阻，与负载或要保护的元件并联（并联）。 MOV具有低电压时的高电阻和高电压时的低电阻，其非线性电压 - 电流特性使其可用于防止电源线浪涌和过压瞬变。

MOV与背靠背齐纳二极管的行为类似，因为它们可用于双向电压钳位，瞬态传导随着其两端电压的增加而增加。这些小型盘状金属氧化物型压敏电阻在两个方向上都提供高击穿电压，并且可以吸收更多的能量，它们通常以焦耳而不是瓦特来评定。

MOV瞬态抑制

作为电压钳位器件，当其端子上的电压低于其预定的击穿值（更像电压）时，金属氧化物压敏电阻提供非常高的电阻从属电阻（VDR）。当暴露于任一极性的高瞬态电压时，器件的电气特性发生变化，其电阻变得非常小，将电压钳位到安全水平。

然后，金属氧化物压敏电阻的主要用途是瞬态抑制装置用于将出现在其上的电压钳位到安全水平，如在大多数应用中一样，该装置与要保护的电路或装置并联放置。

Crowbar瞬态抑制器

另一种并联（并联）连接的瞬态抑制装置称为撬棍保护电子撬棒装置在超过预设阈值电压时通过触发导通导通状态导致电压下降只有几伏特，因此名称为撬棍。

撬棍装置和电路在达到触发电压时有效地产生短路，并且常见于设计用于产生固定输出的稳定电源中放电压，例如恒定的12伏或5伏，但也可用于保护电路或负载免受瞬态过电压的影响。

基于半导体的有源撬棒电路并联放置（分流）负载并能够衰减非常大的浪涌电流。晶闸管通常用于撬棍电路，因为它们具有低“导通状态”电压并且可以将电压水平保持在远低于破坏性水平。一旦发射，它们就可以通过自身将大量的瞬态能量转移到地面，因为它们可以作为非常低阻抗的开关。

这里的缺点是这种短路可能导致电路保险丝或断路器运行，如果一旦切换为“ON”，特别是在DC系统中，没有提供额外的换向电路来关闭撬棍夹具，因为撬棒装置使电源短路，因此输出电压将为零。考虑下面的简单撬棍夹紧电路。

基本撬棍夹紧电路

这里有一个晶闸管或可控硅放置在电源和负载两端，分压器电路由电阻器R 1 设置，R 2 设置为将晶闸管栅极偏置到足够低的电平因为它在正常操作期间不会被触发。然后SCR被截止且不导通。

然而，当发生过电压瞬变并且上升到预定水平以上时，电阻器R 2 上的电压降也增加。变得足以触发SCR的栅极导通，从而钳位保护负载的瞬态电压。这里的问题是，虽然负载受到过压保护，但它不能保护电源，从而熔断电源的熔断器。然后，通过短路电源产生的瞬态保护负载可能比触发它的事件更大。

除了使用晶闸管，交流电源的过压保护，三端双向可控硅可以用作撬棍装置并以类似的方式触发传导。使用晶闸管或三端双向可控硅开关来保护交流电源的优势在于它们会在每个半周期自动关闭。

因此，如果短时间瞬态瞬间触发撬棒在该装置中，分流动作仅使与其连接的AC电力线短路至少一个半周期，这对于熔断器熔断来说可能太快。

齐纳Crowbar瞬态抑制器

我们可以通过使用齐纳二极管来检测过压条件，从而改善上述基本消弧电路的瞬态检测和性能。这里的电阻分压电路已被齐纳二极管取代，如图所示。

齐纳撬棒钳位电路

直流电源电压V S 由齐纳二极管监控，齐纳二极管的作用类似于瞬态检测元件，其齐纳电压V Z 额定值确定SCR开启时的电压电平。当直流电源电压低于齐纳二极管的反向偏置额定值时，齐纳二极管不导通，因此没有电压或电流施加到SCR的栅极，因此保持“截止”，不导通。

如果电源电压超过齐纳额定电压，如过电压瞬态，则齐纳二极管开始导通，允许栅极电流流入SCR，使其“导通”并使负载电源电压短路，吹保险丝。然后保护负载免受高于齐纳电压V Z 的瞬态电压的影响，因为齐纳二极管仅承载SCR的栅极电流以“导通”，因为SCR本身将承载大部分分流器虽然这种齐纳撬棒电路是对基本分压器网络的改进，但它会受到软启动的影响，因为齐纳击穿电压下的拐点是弯曲的而不是急剧上升。基本的消弧电路可以通过以单个放大器电路或运算放大器电路的形式向检测和触发电路增加一些电压增益来进一步修改和改进。

为此，晶闸管具有内置的过压触发器设计用于消除单向或双向瞬态和电压浪涌。例如用于保护15伏电源的RCA SK9345系列IC撬棍，保护112伏特的SK9346和用于保护115伏电压的SK9347。

所有使用集成电路内置齐纳二极管，晶体管和SCR。 MC3423过压撬棒感应电路是一个单独的IC，设计用于外部撬棒SCR。

瞬态抑制设备摘要

由于我们在日常生活中使用更多电子设备，我们越来越依赖过电压保护装置，因为它们可以保护我们的设备免受电压峰值和浪涌的影响。瞬态过电压通常由电感或电容开关电路引起，这些开关电路会释放突然的高压尖峰。

这些电压尖峰和浪涌可能在短时间内由高能量组成，或在短时间内间歇性地组成时间并且叠加在诸如交流电源波形的稳态值之上。

过电压保护电路可以采用多种形式的串联滤波器，其设计用于通过电源线频率电压和电流，同时抑制不需要的高频谐波和噪声，并联连接钳位和消弧电路，将过电压消耗到地。

最简单类型的交流电源线滤波器是放置在电压源两端的电容器。电容器的阻抗变化导致高频瞬变的衰减。在大多数应用中，瞬态抑制装置与受保护负载并联，或与要保护的某个元件并联。

电压抑制电路的主要目的是将电压钳位到安全水平。最常见的电压钳位器件是金属氧化物压敏电阻，MOV和齐纳二极管。 MOV最适合双向交流电源保护，而齐纳二极管最适合较小的低能耗直流电源。

使用SCR或三端双向可控硅开关作为“撬棍”的固态撬棒电路会快速切断电源两端的电压瞬变，从而烧断保险丝以实现过压保护。混合瞬态/电涌保护器将撬棍与夹具或带有滤波器的夹钳/撬棍组合在一个模块中，并且可以有许多不同的组合。