防護(hù)電路中的元器件

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的室外應(yīng)用場(chǎng)景，持續(xù)高增長(zhǎng)，電子產(chǎn)品得到了極其廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是公共事業(yè)，還是商用或者民用， 已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域，這也造成了產(chǎn)品功能的多樣化、應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化。隨著產(chǎn)品功能越來(lái)越多，其功能接口也越來(lái)越豐富，比如：網(wǎng)絡(luò)接口(帶POE功能)、 模擬視頻接口、音頻接口、報(bào)警接口、RS485接口、RS232接口等等。功能在不斷地增多，但是對(duì)于產(chǎn)品的體積要求越來(lái)越小，在增加設(shè)計(jì)難度的同時(shí)也會(huì) 使產(chǎn)品面臨著更多的威脅，比如雨季隨著雷電的增多，產(chǎn)品批量的損壞;冬季設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)，由于靜電造成設(shè)備的功能異常等等。本文著重介紹常用防護(hù)器件在產(chǎn) 品中的基本應(yīng)用，通過(guò)防護(hù)電路來(lái)提高產(chǎn)品抗靜電、抗浪涌干擾的能力，從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

通信產(chǎn)品在應(yīng)用的過(guò)程中，由于雷擊等原因形成的過(guò)電壓和過(guò)電流會(huì)對(duì)設(shè)備端口造成損害，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)電路，各個(gè)端口根據(jù)其產(chǎn)品族類、網(wǎng)絡(luò)地位、目標(biāo)市場(chǎng)、應(yīng)用環(huán)境、信號(hào)類型以及實(shí)現(xiàn)成本等多種因素的不同所對(duì)應(yīng)的防護(hù)電路也不同。

1、氣體放電管

圖1 氣體放電管的原理圖符號(hào)

氣體放電管是一種開(kāi)關(guān)型保護(hù)器件，工作原理是氣體放電。當(dāng)兩極間電壓足夠大時(shí)，極間間隙將放電擊穿，由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，類似短路。導(dǎo)電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在20～50V，因此可以起到保護(hù)后級(jí)電路的效果。氣體放電管的主要指標(biāo)有：響應(yīng)時(shí)間、直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、絕緣電阻、極間電容、續(xù)流遮斷時(shí)間。

氣體放電管的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到數(shù)百ns以至數(shù)ms，在保護(hù)器件中是最慢的。當(dāng)線纜上的雷擊過(guò)電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時(shí)，初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓，放電管擊穿導(dǎo)通后兩極間維持電壓下降到20～50V;另一方面，氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護(hù)器件合用時(shí)應(yīng)使大部分的過(guò)電流通過(guò)氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護(hù)電路的最前級(jí)，其后級(jí)的防護(hù)電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應(yīng)時(shí)間很快，對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)效果更好。氣體放電管的絕緣電阻非常高，可以達(dá)到千兆歐姆的量級(jí)。極間電容的值非常小，一般在5pF以下，極間漏電流非常小，為nA級(jí)。因此氣體放電管并接在線路上對(duì)線路基本不會(huì)構(gòu)成什么影響。

氣體放電管的續(xù)流遮斷是設(shè)計(jì)電路需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。如前所述，氣體放電管在導(dǎo)電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在20～50V，在直流電源電路中應(yīng)用時(shí)，如果兩線間電壓超過(guò)15V，不可以在兩線間直接應(yīng)用放電管。在50Hz交流電源電路中使用時(shí)，雖然交流電壓有過(guò)零點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)氣體放電管的續(xù)流遮斷，但氣體放電管類的器件在經(jīng)過(guò)多次導(dǎo)電擊穿后，其續(xù)流遮斷能力將大大降低，長(zhǎng)期使用后在交流電路的過(guò)零點(diǎn)也不能實(shí)現(xiàn)續(xù)流的遮斷;還存在一種情況就是如果電流和電壓相位不一致，也可能導(dǎo)致續(xù)流不能遮斷。因此在交流電源電路的相線對(duì)保護(hù)地線、相線對(duì)零線以及相線之間單獨(dú)使用氣體放電管都不合適，當(dāng)用電設(shè)備采用單相供電且無(wú)法保證實(shí)際應(yīng)用中相線和中線不存在接反的可能性時(shí)，中線對(duì)保護(hù)地線單獨(dú)使用氣體放電管也是不合適的，此時(shí)使用氣體放電管需要和壓敏電阻串聯(lián)。在交流電源電路的相線對(duì)中線的保護(hù)中基本不使用氣體放電管。

防雷電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重氣體放電管的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量等參數(shù)值的選取。設(shè)置在普通交流線路上的放電管，要求它在線路正常運(yùn)行電壓及其允許的波動(dòng)范圍內(nèi)不能動(dòng)作，則它的直流放電電壓應(yīng)滿足：min(ufdc)≥1.8UP。式中ufdc直流擊穿電壓，min(ufdc)表示直流擊穿電壓的最小值。UP為線路正常運(yùn)行電壓的峰值。

氣體放電管主要可應(yīng)用在交流電源口相線、中線的對(duì)地保護(hù);直流RTN和保護(hù)地之間的保護(hù);信號(hào)口線對(duì)地的保護(hù);天饋口饋線芯線對(duì)屏蔽層的保護(hù)。

氣體放電管的失效模式多數(shù)情況下為開(kāi)路，因電路設(shè)計(jì)原因或其它因素導(dǎo)致放電管長(zhǎng)期處于短路狀態(tài)而燒壞時(shí)，也可引起短路的失效模式。氣體放電管使用壽命相對(duì)較短，多次沖擊后性能會(huì)下降，同時(shí)其他放電管在長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)有漏氣失效這種自然失效的情況，因此由氣體放電管構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。

2、壓敏電阻

圖2 壓敏電阻的原理圖符號(hào)

壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。

壓敏電阻的壓敏電壓(min(U1mA))、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(1.8～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適當(dāng)?shù)陌踩６?。在信?hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。

壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路、帶饋電的天饋線路。

壓敏電阻的失效模式主要是短路，當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成閥片被炸裂而開(kāi)路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會(huì)下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。

3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)

圖3 TVS管原理圖

TVS(Transient Voltage Suppression)是一種限壓保護(hù)器件，作用與壓敏電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的。用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿足要求。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級(jí)，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級(jí)。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過(guò)TVS管的過(guò)電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù)，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護(hù)，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

TVS具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的信號(hào)電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。

TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

TVS管主要可用于直流電源、信號(hào)線路、天饋線路的防雷保護(hù)。

TVS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開(kāi)路。TVS管的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

4 電壓開(kāi)關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管(TSS)

圖4 TSS管的原理圖符號(hào)

電壓開(kāi)關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管(TSS，Thyristor SurgeSuppressor)與TVS管相同，也是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)器件，但其工作原理與氣體放電管類似，而與壓敏電阻和TVS管不同。當(dāng)TSS管兩端的過(guò)電壓超過(guò)TSS管的擊穿電壓時(shí)，TSS管將把過(guò)電壓鉗位到比擊穿電壓更低的接近0V的水平上，之后TSS管持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過(guò)TSS管的過(guò)電流降到臨界值以下后，TSS恢復(fù)開(kāi)路狀態(tài)。

TSS是電壓開(kāi)關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管，就是涌抑制晶體管，或者叫做導(dǎo)體放電管，固體放電管等等。LangTuo等牌子。 TSS管是利用半導(dǎo)體工藝制成的保護(hù)器件，主要用于信號(hào)電路的防雷保護(hù)。不能用在電源端口。 TSS器件的通流容量一般最高可達(dá)到150A(8/20uS)。

TSS管和TVS管都是利用半導(dǎo)體工藝制成的限壓保護(hù)器件，TSS管是電壓開(kāi)關(guān)型的。TVS是電壓鉗位型的。TSS管在響應(yīng)時(shí)間，結(jié)電容方面與TVS管是相同特點(diǎn)，易于制成表貼器件，很適合在單板上使用。TSS管適合于信號(hào)電平較高的信號(hào)電路保護(hù)。

TSS管在響應(yīng)時(shí)間、結(jié)電容方面具有與TVS管相同的特點(diǎn)。易于制成表貼器件，很適合在單板上使用，TSS管動(dòng)作后，將過(guò)電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平，這時(shí)二極管的結(jié)壓降小，所以用于信號(hào)電平較高的線路(例如：模擬用戶線、ADSL等)保護(hù)時(shí)通流量比TVS管大，保護(hù)效果也比TVS管好。TSS適合于信號(hào)電平較高的信號(hào)線路的保護(hù)。

在使用TSS管時(shí)需要注意的一個(gè)問(wèn)題是：TSS管在過(guò)電壓作用下?lián)舸┖?，?dāng)流過(guò)TSS管的電流值下降到臨界值以下后，TSS管才恢復(fù)開(kāi)路狀態(tài)，因此TSS管在信號(hào)線路中使用時(shí)，信號(hào)線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS管的臨界恢復(fù)電流。臨界恢復(fù)電流值隨TSS管的型號(hào)和設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而不同，使用時(shí)應(yīng)注意在器件手冊(cè)中查明所用具體型號(hào)的確切值。

TSS管的擊穿電壓(min(UBR))、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在信號(hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。

TSS管較多應(yīng)用于信號(hào)線路的防雷保護(hù)。

TSS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成TSS管被炸裂而開(kāi)路。TSS管的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

5 、正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)

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