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通過6個實例電路分析,詳解雷擊浪涌的防護(二)

日期:2022-09-09 14:28
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摘要: 共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波,以及CY電容兩端的電壓為Uc,測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波: 流過電感的電流為: 流過電感的*大電流為: 在2τ期間流過電感的平均電流為: 由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為: 上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數的計算公式,式中,Uc為CY電容兩端的電壓,也是浪涌抑制電路的輸出...

       共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波,以及CY電容兩端的電壓為Uc,測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波:


流過電感的電流為:


流過電感的*大電流為:


在2τ期間流過電感的平均電流為:



由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為:



       上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數的計算公式,式中,Uc為CY電容兩端的電壓,也是浪涌抑制電路的輸出電壓,?Uc為CY電容兩端的電壓變化量,但由于雷電脈沖的周期很長,占空比很小,可以認為Uc = ?Uc,Up為共模浪涌脈沖的峰值,q為CY電容存儲的電荷,τ為共模浪涌脈沖的寬度,L為電感,C為電容。


        根據上面公式,假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp,電容C=2500p,浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp,則需要電感L的數值為1H。顯然這個數值非常大,在實際中很難實現,所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限,此電路還需進一步改進。


       差模浪涌電壓抑制,主要是靠圖中的濾波電感L1、L2 ,和濾波電容CX ,L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數的選擇,同樣可以用下面公式來進行計算。


        但上式中的L應該等于L1和L2兩個濾波電感之和,C=CX,Uc等于差模抑制輸出電壓。一般,差模抑制輸出電壓應不大于600Vp,因為很多半導體器件和電容的*大耐壓都在此電壓附近,并且,經過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后,雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了,但能量基本上沒有降低,因為經過濾波之后,脈沖寬度會增加,一旦器件被擊穿,大部分都無法恢復到原來的狀態。


      根據上面公式,假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp,脈沖寬度為50uS,差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp,則需要LC的數值為14mH×uF。顯然,這個數值對于一般電子產品的浪涌抑制電路來說還是比較大的,相比之下,增加電感量要比增加電容量更有利,因此*好選用一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵芯,電感量相對較大(大于20mH)的電感作為浪涌電感,這種電感共模和差模電感量都很大,并且不容易飽和。 順便指出,整流電路后面的電解濾波電容,同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能,如果把此功能也算上,其輸出電壓Uc就不能選600Vp,而只能選為電容器的*高耐壓Ur(400Vp)。


4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件 



      避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體閘流管(TVS)、浪涌抑制電感線圈、X類浪涌抑制電容等,各種器件要組合使用。


      氣體放電管的種類很多,放電電流一般都很大,可達數十kA,放電電壓比較高,放電管從點火到放電需要一定的時間,并且存在殘存電壓,性能不太穩定;氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好,但受功率的限制,電流相對比放電管小,多次被雷電過流擊穿后,擊穿電壓值會下降,甚至會失效;


       半導體TVS管伏安特性*好,但功率一般都很小,成本比較高;浪涌抑制線圈是*基本的防雷器件,為防流過電網交流電飽和,必須選用三窗口鐵芯;X電容也是必須的,要選用容許紋波電流較大的電容。


氣體放電管



      氣體放電管指作過電壓保護用的避雷管或天線開關管一類,管內有二個或多個電極,充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件,它用在通信系統的防雷保護。


      放電管的工作原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時,便在極間產生不均勻電場:在此電場作用下,管內氣體開始游離,當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時,兩極之間的間隙將放電擊穿,由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態,導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平,這種殘壓一般很低,從而使得與放電管并聯的電子設備免受過電壓的損壞。


      氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼.也有的用陶瓷作為封裝外殼,放電管內充入電氣性能穩定的惰性氣體(如氬氣和氖氣等),常用放電管的放電電極一般為兩個、三個,電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數的設置來劃分,放電管可分為二極、三極放電管。


      陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構成。管內放電電極上涂覆有放射性氧化物,管體內壁也涂覆有放射性元素,用于改善放電特性。


       放電電極主要有桿形和杯形兩種結構,在桿形電極的放電管中,電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏,該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻,不致出現局部過熱而引起管斷裂。熱屏內也涂覆放射性氧化物,以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中,杯口處裝有鉬網,杯內裝有銫元素,其作用也是減小放電分散性。


       三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構成。與二極放電管不同,在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒,作為第三極,即接地電極。



主要參數:


(1)直流擊穿電壓。此值由施加一個低上升速率(dv/dt=100V/s)的電壓值來決定。


(2)沖擊(或浪涌)擊穿電壓。它代表放電管的動態特性,常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來決定。


(3)標稱沖擊放電電流。8/20us波形(前沿8us,半峰持續時間20us)的額定放電電流,通常放電10次。


(4)標準放電電流。通過50Hz交流電流的額定有效值,規定每次放電的時間為1s,放電10次。


(5)*大單次沖擊放電電流。對8/20us電流波的單次*大放電電流。


(6)耐工頻電流值。對8/20us電流波的單次*大放電電流。對50Hz交流電,能經受連續9個周波的*大電流的有效值。


(7)絕緣電阻。對8/20us電流波的單次*大放電電流。對50Hz交流電,能經受連續9個周波的*大電流的有效值。


(8)電容。放電管電極間的電容,一般在2~10pF之間,是所有瞬變干擾吸收器件中*小的。



金屬氧化物壓敏電阻



壓敏電阻一般都是以氧化鋅為主要成分,另加少量的其它金屬氧化物(顆粒),如:鈷、猛、鉍等壓制而成。由于兩種不同性質的物體組合在一起,相當于一個PN結(二極管),因此,壓敏電阻相當于眾多的PN結串、并聯組成。




5、超高浪涌電壓抑制電路 


實例1



上圖是一個可抗擊較強雷電浪涌脈沖電壓的電原理圖,圖中:G1、G2為氣體放電管,主要用于對高壓共模浪涌脈沖抑制,對高壓差模浪涌脈沖也同樣具有抑制能力;VR為壓敏電阻,主要用于對高壓差模浪涌脈沖抑制。經過G1、G2和VR抑制后,共模和差模浪涌脈沖的幅度和能量均大幅度降低。


G1、G2的擊穿電壓可選1000Vp~3000Vp,VR的壓敏電壓一般取工頻電壓*大值的1.7倍。


G1、G2擊穿后會產生后續電流,一定要加保險絲以防后續電流過大使線路短路。


實例2



增加了兩個壓敏電阻VR1、VR2和一個放電管G3,主要目的是加強對共模浪涌電壓的抑制,由于壓敏電阻有漏電流,而一般電子產品都對漏電流要求很嚴格(小于0.7mAp),所以圖中加了一個放電管G3,使平時電路對地的漏電流等于0。G3的擊穿電壓要遠小于G1、G2的擊穿電壓,采用G3對漏電隔離后,壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相應選得比較低,VR1、VR2對差模浪涌電壓也有很強的抑制作用。


實例3



G1是一個三端放電管,它相當于把兩個二端放電管安裝在一個殼體中,用它可以代替上面兩個實例中的G1、G2放電管。除了二端、三端放電管之外,放電管還有四端、五端的,各放電管的用途也不完全相同。


實例4



增加了兩個壓敏電阻(VR1、VR2),主要目的是為了隔斷G1擊穿后產生的后續電流,以防后續電流過大使輸入電路短路,但由于VR1、VR2的*大峰值電流一般只有G1的幾十分之一,所以,本實例對超高浪涌電壓的抑制能力相對實例3要的抑制能力差很多。


實例5 直接在PCB板上制作避雷裝置



在PCB板上直接制作放電避雷裝置,可以代替防雷放電管,可以抑制數萬伏共?;虿钅@擞侩妷簺_擊,避雷裝置電極之間距離一般要求比較嚴格,輸入電壓為AC110V時,電極之間距離可選4.5mm,輸入電壓為AC220V時,可選6mm;避雷裝置的中間電極一定要接到三端電源線與PCB板連接的端口上。


實例6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管


在PCB板上直接制作氣隙放電裝置,正常放電電壓為每毫米1000~1500V,4.5mm爬電距離的放電電壓大約為4500~6800Vp,6mm爬電距離的放電電壓大約為6000~9000Vp。



6、各種防雷器件的連接 


避雷器件的安裝順序不能搞錯,放電管必須在*前面,其次是浪涌抑制電感和壓敏電阻(或放電管),再其次才是半導體TVS閘流管或X類電容及Y類電容。



粵公網安備 44190002002243號

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