[摘要] 文章結(jié)合我國(guó)居民信息設(shè)備需求的不斷增長(zhǎng),闡述了現(xiàn)代住宅居民信息設(shè)備瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)的設(shè)計(jì)原則和浪涌電壓抑制器件的分類(lèi),重點(diǎn)論述了硅瞬變吸收二極管的特性、參數(shù)及其工程選用原則。
1 設(shè)計(jì)原則
對(duì)于家居信息系統(tǒng)的保護(hù)除了做好常規(guī)的防雷設(shè)施和處理好接地問(wèn)題外,還應(yīng)在信息家電的電源端加裝相應(yīng)的過(guò)電壓保護(hù)裝置,以消除電網(wǎng)浪涌、雷電感應(yīng)電壓、設(shè)備切換等意外事件對(duì)信息家電設(shè)備的沖擊和毀壞。要求進(jìn)入信息家電內(nèi)的電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)應(yīng)通過(guò)防雷、防過(guò)壓處理,并將設(shè)備外殼、室內(nèi)的金屬門(mén)、窗、管道等進(jìn)行等電位處理。
信息家電設(shè)備雷電過(guò)電壓及電磁干擾防護(hù)是保護(hù)通信線(xiàn)路、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段和確保通信線(xiàn)路、設(shè)備運(yùn)行不受干擾必不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。信息網(wǎng)絡(luò)過(guò)電壓保護(hù)必須運(yùn)用電磁兼容原理將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)局部的防護(hù)歸結(jié)到整體的雷電過(guò)電壓保護(hù)。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處的建筑物作為一個(gè)欲保護(hù)的空間區(qū)域,從電磁兼容的角度出發(fā),可由外到內(nèi)分為幾個(gè)雷電保護(hù)區(qū),現(xiàn)已規(guī)定出各部分空間不同的雷電磁脈沖(LEMP)的嚴(yán)重程度。
根據(jù)雷電保護(hù)區(qū)的劃分要求,建筑物外部是直擊雷區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備最容易遭受損害,危險(xiǎn)性最高,是暴露區(qū),為0區(qū);建筑物內(nèi)部所處的位置為非暴露區(qū)?可將其分為1區(qū)、2區(qū),越往內(nèi)部,危險(xiǎn)程度越低,雷電過(guò)電壓對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的損害主要是沿線(xiàn)路引入。保護(hù)區(qū)的界面通過(guò)外部的防雷系統(tǒng)、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構(gòu)成屏蔽層。電氣通道以及金屬管則必須通過(guò)這些界面,穿過(guò)各級(jí)雷電保護(hù)區(qū)的金屬構(gòu)件在每一穿過(guò)點(diǎn)做等電位聯(lián)結(jié)。
2 浪涌電壓抑制器件
浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類(lèi)。第一種類(lèi)為橇棒(Crow Bar)器件,其主要特點(diǎn)是器件擊穿后的殘壓很低,因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放,而且使功耗大大降低。另外,該類(lèi)型器件的漏電流小,器件極間電容量小,所以對(duì)線(xiàn)路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護(hù)器、硅雙向?qū)ΨQ(chēng)開(kāi)關(guān)(CSSPD)等。
另一類(lèi)為箝位保護(hù)器,即保護(hù)器件在擊穿后,其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升,以箝位的方式起到保護(hù)作用。常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻?MOV?,瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)等。
保護(hù)器分過(guò)電壓保護(hù)元件和過(guò)電流保護(hù)元件。我們通常所稱(chēng)的“避雷器”和隨著國(guó)外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“過(guò)電壓限制器”、放電管、齊納二極管等都屬于電壓限制元件。它們的工作原理差不多,但它們之間的通流容量、動(dòng)作速度、殘壓等有很大差別。而正溫度系數(shù)PTC、電感、電阻、保險(xiǎn)絲則屬于過(guò)電流保護(hù)元件。
二極管型防護(hù)器件包括開(kāi)關(guān)二極管、齊納二極管、瞬態(tài)二極管等。它們的保護(hù)性能大致相同,在承受沖擊能力和限制電壓等級(jí)方面稍有不同。正常情況下,管子呈高阻,當(dāng)外加電壓達(dá)到其門(mén)限值時(shí),電流迅速增加。它是響應(yīng)速度非?斓谋Wo(hù)元件,限幅電壓低,管子兩端壓降基本不受沖擊電壓和沖擊電流的影響,保護(hù)精密設(shè)備中半導(dǎo)體電路非它莫屬。近年來(lái)正在發(fā)展的瞬態(tài)二極管,在通流能力方面有了較大的突破,可用在第二級(jí)甚至第一級(jí)保護(hù)。
二極管型防護(hù)器件是利用硅PN結(jié)正向壓降(VF)和反向雪崩擊穿電壓(VZ)的特性制成的,如瞬變電壓抑制二極管(TVS)。二極管型防護(hù)器件有兩種形式:一是齊納型單向雪崩擊穿,二是雙向的硅壓敏電阻。TVS器件在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,承受到高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí),其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過(guò),并將電壓箝制在預(yù)定水平,從而有效地保護(hù)電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率,并把電壓箝制在預(yù)定水平,雙向TVS適用于交流電路。TVS的最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小,所謂箝位系數(shù)就是指TVS上流過(guò)的電流在最大時(shí)的端電壓與流過(guò)的電流為最小時(shí)的端電壓的比值,箝位系數(shù)越小,抑制瞬變電壓的效果越好。TVS器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快(小于1ns)、可靠性高、每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會(huì)下降等。缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小,F(xiàn)在,國(guó)外TVS器件已經(jīng)采用氣密性附殼封裝,外形為DO-41,而一般的民用器件則采用有引線(xiàn)或無(wú)引線(xiàn)的塑封形式,典型的有美國(guó)GeneralInstrument公司生產(chǎn)400W、600W、1500W無(wú)引線(xiàn)扁平塑封,其400W的工作電壓為5.5~162V,型號(hào)為TSMA6.8~TSMA200,外形為SMA/D0214AC;600W的工作電壓為5.5~162V,型號(hào)為TSMB6.8~TSMB200,外形為SMB/D0214AA;1500W工作電壓5.5~162V,型號(hào)為TSMC6.8~TSMC200,外形為SMC/D0214AB。該公司也生產(chǎn)無(wú)引線(xiàn)圓柱形產(chǎn)品,型號(hào)為TGL41-6.8~TGL41-200,外形為MELFGL41。該公司還生產(chǎn)5000W的TVS,其工作電壓為5.0~110V,型號(hào)為5KP5.0~5KP110,外形為P600。TVS的另一發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)低電壓產(chǎn)品,目前正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品電壓范圍為2.8~3.8V,以滿(mǎn)足低壓微處理器和IC的需要。
3 硅瞬變吸收二極管
硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管,是箝位型的干擾吸收器件,其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)速度(亞納秒級(jí))、相當(dāng)高的浪涌吸收能力和極多的電壓檔次。能保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓,以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。
TVS管有單方向(單個(gè)二極管)和雙方向(兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管)兩種,它們的主要