常见防雷（surge,lighting)器件(TVS,压敏电阻，气体放电管，固体放电管，SPD)应用

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TVS瞬态干扰抑制器性能与应用

瞬态干扰
   瞬态干扰指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成控制系统的电源电压的波动；当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上，使输入控制系统的电压超过系统内部器件的极限电压时，便会损坏控制系统内部的设备，因此必须采用抑制措施。

硅瞬变吸收二极管
   硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管，是箝位型的干扰吸收器件；其应用是与被保护设备并联使用。 硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力，及极多的电压档次。可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。 TVS管有单方向(单个二极管)和双方向(两个背对背连接的二极管)两种，它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右，以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压，使TVS漏电流影响电路正常工作；也避免因环境温度变化导致TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。 TVS管有多种封装形式，如轴向引线产品可用在电源馈线上；双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、I/O总线及数据总线的保护。

TVS的特性
   TVS的电路符号和普通的稳压管相同。其电压-电流特性曲线如图1所示。其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流-时间和电压-时间曲线。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10~12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。

TVS的主要参数
   *最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。
   *最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5％和10％两种。对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。

                               
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图1 TVS电压－电流特性

                               
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图2 TVS电压(电流)时间特性

   *最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。
   *电容量C。电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。
   *最大峰值脉冲功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。
   *箝位时间TC。TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12s；对双极性TVS小于10×10-12s。

TVS的分类
   TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。

4TVS的选用
   *确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和最大可承受电压。
   *TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。
   *TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
   *在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS的最大峰值脉冲功率是以10/1000ms的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。如某600WTVS，对1000ms脉宽最大吸收功率为600W，但是对50ms脉宽吸收功率就可达到2100W，而对10ms的脉宽最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关：如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％，若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％。
   *平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明，在一功率开关电路中会产生120Hz，宽度为4ms，峰值电流为25A的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到11.2V。此中平均稳态功率的计算为：脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积，即280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是说，选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。
   *对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。
   *根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。
   *温度考虑瞬态电压抑制器可以在－55℃~＋150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。

TVS管在使用中应注意的事项
   对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值)，而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。
   对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
   对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

降额使用
   作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。 特别要注意TVS管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。 当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
   TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。

结语
   各种电子系统及通信网络等，经常会受到外来的电磁干扰，这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。对这些问题，要做好全面的预防保护措施，设计选用合适的硅瞬变吸收二极管是解决瞬态干扰的良好方案。但随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不断提高的电子产品，设计提供完整的电路保护解决方案，将形成电路保护技术的又一次革命。

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压敏电阻器VSR

MOV           金属氧化压敏电阻(metal-oxide varistor )
Varistor      压敏电阻   简称VSR


压敏电阻器简称VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。它在电路中用文字符号“RV”或“R”表示，图1-21是其电路图形符号。

                               
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（一）压敏电阻器的种类
压敏电阻器可以按结构、制造过程、使用材料和伏安特性分类。
1．按结构分类  压敏电阻器按其结构可分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器和薄膜压敏电阻器等。
结型压敏电阻器是因为电阻体与金属电极之间的特殊接触，才具有了非线性特性，而体型压敏电阻器的非线性是由电阻体本身的半导体性质决定的。
2．按使用材料分类  压敏电阻器按其使用材料的不同可分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏电阻器、锗（硅）压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻器等多种。
3．按其伏安特性分类  压敏电阻器按其伏安特性可分为对称型压敏电阻器（无极性）和非对称型压敏电阻器（有极性）。

（二）压敏电阻器的结构特性与作用
1．压敏电阻器的结构特性  压敏电阻器与普通电阻器不同，它是根据半导体材料的非线性特性制成的。
图1-22是压敏电阻器忍气吞声外形，其内部结构如图1-23所示。

                               
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普通电阻器遵守欧姆定律，而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。

2．压敏电阻器的作用与应用  压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。
图1-24是压敏电阻器的典型应用电路。

                               
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（三）压敏电阻器的主要参数
压敏电阻器的主要参数有标称电压、电压比、最大控制电压、残压比、通流容量、漏电流、电压温度系数、电流温度系数、电压非线性系数、绝缘电阻、静态电容等。
1．标称电压  标称电压是指通过1mA直流电流时，压敏电阻器两端的电压值。
2．电压比  电压比是指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。
3．最大限制电压  最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。
4．残压比  流过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值为残压。残压比则的残压与标称电压之比。
5．通流容量  通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。
6．漏电流  漏电流与称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器的电流。
7．电压温度系数  电压温度系数是指在规定的温度范围（温度为20~70℃）内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变1℃时压敏电阻两端的相对变化。
8．电流温度系数  电流温度系数是指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相对变化。
9．电压非线性系数  电压非线性系数是指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。
10．绝缘电阻  绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线（引脚）与电阻体绝缘表面之间的电阻值。
11．静态电容  静态电容是指压敏电阻器本身固有的电容容量。

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气体放电管在浪涌抑制电路的应用

1.浪涌电压的产生和抑制原理
   在电子系统和网络线路上，经常会受到外界瞬时过电压干扰，这些干扰源主要包括：由于通断感性负载或启停大功率负载，线路故障等产生的操作过电压；由于雷电等自然现象引起的雷电浪涌。这种过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。浪涌电压会严重危害电子系统的安全工作。消除浪涌噪声干扰，防止浪涌危害一直是关系电子设备安全可靠运行的核心问题。为了避免浪涌电压损害电子设备，一般采用分流防御措施，即将浪涌电压在非常短的时间内与大地短接，使浪涌电流分流入地，达到削弱和消除过电压、过电流的目的，从而起到保护电子设备安全运行的作用。
2.浪涌电压抑制器件分类
   浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类型。第一种类型为橇棒（crow bar）器件。其主要特点是器件击穿后的残压很低，因此不仅有利于浪涌电压的迅速泄放，而且也使功耗大大降低。另外该类型器件的漏电流小，器件极间电容量小，所以对线路影响很小。常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌保护器、硅双向对称开关（CSSPD）等。
   另一种类型为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻(MOV)，瞬态电压抑制器（TVS）等。
3.气体放电管的构造及基本原理
   气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成，基本外形如图1所示。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，并由高阻变成低阻，使电极两端的电压不超过击穿电压。

                               
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4.气体放电管与其它浪涌抑制器件参数比较
1）火花间隙（Arc chopping）
   为两个形状象牛角的电极，彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时，间隙被击穿打火放电，由此将过电流释放入地。
优点：放电能力强，通流容量大（可做到100kA以上），漏电流小；
缺点：残压高（2～4kV），反应时间慢（≤100ns），有跟随电流（续流）。
2）金属氧化物压敏电阻（Metal oxide varistor）
   该器件在一定温度下，导电性能随电压的增加而急剧增大。它是一种以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻。没有过压时呈高阻值状态，一旦过电压，立即将电压限制到一定值，其阻抗突变为低值。
优点：通流容量大，残压较低，反应时间较快（≤50ns），无跟随电流（续流）；
缺点：漏电流较大，老化速度相对较快。
3）瞬态抑制二极管（Transient voltage suppressor）
   亦称齐纳二极管，是一种专门用于抑制过电压的器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结，该PN结工作在雪崩状态时，具有较强的脉冲吸收能力。
优点：残压低，动作精度高，反应时间快（<1ns），无跟随电流（续流）；
缺点：耐流能力差，通流容量小，一般只有几百安培。
4）气体放电管(Gas discharge tube)
   气体放电管可以用于数据线、有线电视、交流电源、电话系统等方面进行浪涌保护，一般器件电压范围从75～10000V，耐冲击峰值电流20000A，可承受高达几千焦耳的放电。
优点：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小；
缺点：残压较高，反应时间慢（≤100ns），动作电压精度较低，有跟随电流（续流）。
   各种浪涌抑制器件的共同特点为器件在阈值电压以下都呈现高阻抗，一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，都对尖峰电压有一定的抑制作用。但各自都有缺点,因此根据具体的应用场合,一般采用上述器件中的一个或者几个的组合来组建相应的保护电路。各种浪涌抑制器件的参数对比见表1所列。

                               
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5.气体放电管的主要参数
1）反应时间指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在μs数量极。
2）功率容量指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8×20μs电流波形下，所能承受及散发的电流。
3）电容量指在特定的1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般为≤1pF。
4）直流击穿电压当外施电压以500V/s的速率上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。
5）温度范围其工作温度范围一般在－55℃～＋125℃之间。
6）电流—电压特性曲线以美国克来电子公司CG2－230L气体放电管为例，如图2所示。
7）绝缘电阻是指在外施50或100V直流电压时测量的气体放电管电阻,一般>1010Ω。

                               
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6.气体放电管的应用示例
1）电话机/传真机等各类通讯设备防雷应用
   如图3所示。特点为低电流量，高持续电源，无漏电流，高可靠性。
2）气体放电管和压敏电阻组合构成的抑制电路
   图4是气体放电管和压敏电阻组合构成的浪涌抑制电路。由于压敏电阻有一致命缺点：具有不稳定的漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因漏电流变大可能会发热自爆。为解决这一问题在压敏电阻之间串入气体放电管。但这又带来了缺点就是反应时间为各器件的反应时间之和。例如压敏电阻的反应时间为25ns，气体放电管的反应时间为100ns，则图4的R2,G,R3的反应时间为150ns，为改善反应时间加入R1压敏电阻,这样可使反应时间为25ns。
3）气体放电管在综合浪涌保护系统中的应用
   自动控制系统所需的浪涌保护系统一般由二级或三级组成，利用各种浪涌抑制器件的特点，可以实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端，做为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流。二级保护器件采用压敏电阻，在μs级时间范围内更快地响应。对于高灵敏的电子电路，可采用三级保护器件TVS，在ps级时间范围内对浪涌电压产生响应。如图5所示。当雷电等浪涌到来时，TVS首先起动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平；如果浪涌电流大，则压敏电阻起动，并泄放一定的浪涌电流；两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电，把大电流泄放到地。

                               
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7.结语
   各种电子系统，以及通信网络等，经常会受到外来的电磁干扰，这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。针对这些问题，要做好全面的预防保护措施，就需要先找到问题的根源，再选用合适的浪涌抑制器件予以解决。

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固体放电管

固体放电管是基于晶闸管原理和结构的一种两端负阻器件。可以吸收突波，抑制过高电压，达到保护易损组件的目的。该器件是在硅单晶片两面同时掺杂同种杂质而形成。简单的结构如图1所示。图中p区和n区连结在一起。选用不同的材料和工艺，可以做出各种不同电压和电流的放电管。　　

                               
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图1　结构图

　　固态放电管的工作原理和一个两端的可控硅相似，简述如下：
　　从结构图可以看出，固态放电管两面的结构基本上是相同的。在使用中两个极都有加高电位的可能性。在分析工作原理时，假定A接高电位，K接低电位，该器件的特性曲线如图2所示，可以把导通与阻断的过程分为四个阶段。　　

                               
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图2　V-I曲线

　　1)阻断区：图2中的0到VBR段。
　　此时器件所加电压低于击穿电压，J1正偏，J2为反偏，电流很小，J2起到了阻挡电流的作用。外加电压几乎都加在了J2上，由于漏电流很小，固态放电管电阻很大，故称为阻断区。
　　2)雪崩区：VBR到VBO段
　　所加电压从VBR逐渐增加到VBO时，J2的空间电荷区内的电场很强，区的宽度被拉得很宽，区内的载流子在足够强的电场作用下，产生了倍增效应，通过J2的载流子突然增加，电流也突然增大，这就是雪崩区。
　　3)负阻区：VBO到A段
　　当外加电压增加到大于VBO时由于雪崩效应而产生了大量的电子空穴对，此时这些载流子在电场的强烈的抽取作用下，进入N2区，大量的电子与空穴因不能很快复合而分别积累在N2区和P2区，因而使J2空间电荷区的电场减弱，降落在J2上的电压将下降，雪崩效应随之减弱，但外加电压并不变，这样加在其它结上的正偏压要增加，从而使通过J2的电流增大，于是，出现了电压不变而电流增加的负阻现象。
　　4)导通区：A到B段
　　雪崩效应，使J2空间电荷区越变越窄且由反偏变成了正偏，这样器件的阻抗变得很低，电流变得很大，于是器件由高阻的阻断状态，变成了低阻的导通状态，其伏安特性曲线类似于整流元件的正向特性。
　　从上述原理中可以看出，当外加电压低于VBR时，漏电流很小，处于断开状态。不影响被保护组件的正常工作。当外加电压大于VBO时，放电管很快进入导通状态，压降很小，起到了保护作用。外加电压去掉后，电流很快就降到低于维持电流IH，放电管自然恢复，回到断开状态。
　　综上所述，该器件的优点是导通电压小，几乎无热耗，可重复使用，能承受较大的冲击电流，响应快，使用安全、可靠，其性能优于其它瞬间过压保护元器件。
　　固态放电管与其他瞬间过电压保护器件的比较见表1。

表1　固态放电管与其它瞬间过压保护器件性能比较

器件类别    固态放电管    气体放电管    TVS二极管
保护方式    负阻    负阻    箝位
原理    固态四层可控硅结构    气体电离导电    雪崩二极管
响应时间    ＜1ns    ＞1μs    ＞1ns
电容    50pF    1pF    50pF
最大瞬间电流(8/200)μs    3000A    20000A    50A
最大漏电流    1μA    1pA    20μA
重复使用可靠性    无限重复使用    可能蜕化    可能损坏
主要优点    精确导通，无限重复快速响应    瞬间电流最大    低电压使用，价廉
主要缺点    瞬间电流较小    响应时间缓慢    瞬间电流最小


注：固态放电管使用时注意事项
1)击穿电压必须大于被保护组件的最大工作电压
2)转折电压必须小于被保护组件所允许的瞬间峰值电压

PS：
固体放电管的特点是响应速度快（10～20ns级），吸收电流大、动作电压稳定、使用寿命长。其工作原理是：当外界干扰低于触发电压时，放电管处于截止状态；当干扰电压超出触发电压时，放电管工作在负阻区。此时电流极大，使干扰能量转移。随着干扰的减少，通过放电管的电流回落，当干扰电流低于维持电流时，放电管从低阻区回到高阻区，完成～次放电过程。

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气体放电管    压敏电阻    TVS    TSS
漏电流    极小(pA级)    小(µA级)    小(µA级)    较小(µA级)
限制电压    点火电压高，     低～中    低    低
   限制电压低            
通流容量    大(10kA级)    大(1kA~10kA以上)    中(100A级)    低(10A级)
响应时间    中~慢(0.1~1us)    较快(＜25ns)    快(＜1ns)    快(＜1ns)
续流问题    有    无    无    有
电容量    低(1pF)    中～高(500pF)    高(1000pF)    较低(50pF)
正常使用寿命    较短     较短 (使用性能降低)    长    长
   (使用性能降低)            
成本    低～高    低    高    高
失效模式    开路    短路    短路    短路
主要应用    AC/通信系统    AC/低压控制系统    低压控制/通信系统    通信/数据/信号系统
   初级保护

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电涌保护器SPD应用常识

随着国民经济的不断发展，现代化水平的快速提高，在信息化带动工业化的指引下，各类信息设备、电子计算机、精密仪器、数据网络设备的应用越来越广泛，此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，因而极易受到雷电电流脉冲的危害。每年都给人类造成巨大的直接经济损失。而因重要设备损坏使网络陷入瘫痪而造成的间接损失更是惊人，已引起国内相关领域对此类系统加强保护的高度重视。

近年来，“SPD”这个名词已越来越多地被专业研究、产品制造及工程设计的人们所提到。作为雷电防护装置体系中的重要组成部分，“SPD”已被广泛用于邮电通讯、广播电视、金融证券、保险、电力、铁道、交通、机场、石化、市政建设等各个行业。可以毫不夸张地说，凡是装有IT设备的场所，就有应用SPD的必须。

那么SPD究竟是一种什么产品呢？SPD有哪些功能呢？SPD是如何选择应用的呢？在这里我们着手用尽可能通俗的语言向各位介绍一些有关SPD产品的基础知识。希望对那些尚未接触过SPD或对SPD知之甚少而又想掌握SPD知识，并进而使用SPD产品的读者有所收益。

一、    什么是SPD（SPD介述）

SPD这一名词英语全称是surge protectiye device其译意为电涌保护器，是限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电流（沿线路传送的电流、电压或功率的暂态波。其特性是先快速上升后缓慢下降）的器件。一端口SPD与被保护电路并联，能分开输入和输出端，在这些端子之间设有特殊的串联阻抗；二端口SPD有两组输入和输出端子，在这些端子之间有特殊的串联阻抗；电压开关型SPD在没有电涌时具有高阻抗，有电涌电压时能立即变成低阻抗，电压开关型SPD常用的元件有放电间隙、气体放电管、闸流管（硅可控整流器）和三端双向可控硅开关元件。这类SPD有时也称“短路型SPD”；电压限制型SPD在没有电涌时具有高阻抗但随着电涌电流和电压的上升其阻抗将持续地减小。常用的非线性元件有压敏电阻和抑制二极管，这类SPD有时也称为“箝位型SPD”；复合型SPD是由电压开关型元件和电压限制型元件组成的，其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。

无限流元件的SPD在信息线路中的使用只有一个或数个用于限制过电压的元件，而无限流元件；有限流元件的SPD在信息线路中使用既有限制过电压的元件，又有限流元件。

SPD限压元件可分为电压开关型和限压型

SPD需通过I、Ⅱ、和Ⅲ级分类试验。SPD有户内型、户外型、易触及的、不易触及的（碰不到的）。固定安装方式及移动式的。

二、    应用SPD抑制异常过电压的种类

通常将超过设计规定的正常工作电压上限值的电压称为“异常过电压”简称“过电压”。它是SPD的工作对象，如果没有过电压也就没有SPD的生存价值了。因此要了解SPD就必须对过电压有个基本了解。

过电压将对电气或电子装置中的电路、元器件造成直接破坏，这种破坏依据其严重程度大至可分为以下四种情况。

1、使设备、装置短时间工作错乱。

2、造成潜故障，使得电路和器件的性能下降，寿命缩短，提前失效。

3、造成电路或器件的永久性损坏。

4、导致起火、触电等安全事故。

异常过电压可能是外来的，也可能是设备、装置内部自生的。外侵过电压的侵入途径，可以通过导线、电路、管道传导进入；也可以通过静电感应、电磁感应侵入。过电压的出现可能是有规律性的、周期性的。但更多的则是随机的。因此在大多数情况下，很难准确在把握它，异常过电压依据其成因的不同，可以分为雷击过电压、操作过电压、静电和暂态过电压等。下面作分类介绍：

1)雷击过电压：雷云直接对设备、装置放电时，设备装置所承受的是“直击雷过电压”，这种情况发生概率少，而通常所说的雷击过电压是指“感应过电压”。当雷击对地面某一点放电时，通常在它周围方园1.5km范围内的导线、导体中都会有一定幅值的瞬态电压产生。而产生这种冲击电压的主要机理如下：

①雷云对附近地面的物体放电，或在附近云层中放电，产生的电磁场   会在供电系统的线路导体中产生感应电压。

②附近云—地之间放电所产生的入地电流。耦合到接地网的公共接地阻抗上，在接地网的长度和宽度方向上产生电压差。

③若雷击时，变压器一次侧的的避雷器动作，一次侧电压快速跌落。这种快速跌落通过变压器的电容耦合传送到二次侧。迭加在通过正常变压器耦合的电压上，形成二次侧冲击电压。

④雷电直接击中高压一次侧线路，向一次侧线路注入极大的电流，这种大电流流过接地电阻或一次侧导体的冲击阻抗。都会产生高电压，一次侧的这种高电压又可通过电容耦合和正常的变压器耦合，在低压交流电源线路中出现。

⑤雷电直接击中二次侧线路，极大的电流和由这种电流所产生的极高电压远远超过设备本身和接在二次侧线路中的保护器件的承受能力。

为模拟雷电冲击，国际上规定“1.2/50”电压波为标准雷电压波（其波前时间为1.2μs，波尾下降到半峰值的时间为50μs。）“10/350”电流波为半径传导衰减的雷电流波；“8/20”电流波为经传导衰减的感应雷电流波。雷电冲击波的特点持续时间短，但峰值高。

2)操作过电压是指电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等通断转接时，在系统电路中、电路对地以及开关两端所产生的过电压。

产生操作过电压的原因是由于线路及其中的元器件都带有电感和电容，储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量，在电路状态突变时产生的能量转换，过渡的振荡过程，由振荡而出现过电压。

操作过电压的持续时间比雷击过电压长，比暂态过电压短，在数百微秒到100mS之间，并且衰减很快。

3)众所周知，在天气干燥的冬天，人体与衣服间的磨擦会使人体带电，当带电的人与电子产品接触时，就会对电子产品（如手机）放电，这是一种典型的静电放电，静电放电的特点是电压很高，但时间很短，为纳秒级。

IEC61000-4-2规定的模拟接触静电放电的电压，等级为2kv～8kv，相应的电流峰值为（7.5～30）A。

4)暂态过电压是指当电力系统发生接地故障，切断负荷或谐振时所产生的相-地，或相-相间的电压升高，它的特点是持续时间比较长（0.1S～60S，与系统的保护方式有关）。暂态过电压的幅值随供电系统的接地方式而异，接地电阻大的系统，暂态过电压倍数就大。

表3.1给出了一组供电系统内部过电压倍数K的统计数字。过电压倍数K的定义是内部过电压的峰值与系统的最高运行相电压峰值之比。



表3.1  供电系统内部过电压倍数K

暂态过电压                                操作过电压
过电压名称        K                    过电压名称         K
单相接地故障  1.1～1.3    切断电感性负载        1～4.0
甩负荷       1.2～1.3        合闸空载线路(包括重合闸)    1～3.5
电弧接地       1～3.5                     切断空载线路         1～3.5
谐振       1～3.5                         合空载变压器        1～2.0

此外，在实用中，还可能碰到所谓“错电”事故，即设计用于110V电源的设备错误地接入220V的系统中，或设计用于220V电源的设备错误地加上380V电压等，这样所引起的过电压，不仅是接入电压的峰值，还有过渡过程的震荡性电压。

总之，异常过电压成因复杂，持续时间和电压、电流的强度差异极大，因此防护异常过电压有时是个复杂而困难的任务。一般来说压敏电阻器是防护持续时间较短的静电，雷击过电压和操作过电压的“瞬态”过电压保护器，对于持续时间较长的暂态过电压只能用熔断器，断路器等器件来防护。

三、    SPD产品的主要术语定义

SPD产品的术语很多，其中主要有以下几个术语较常用

1、          标称放电电流In：流过SPD具有8/20波形的电流峰值。用于Ⅱ级试验的SPD分级以及I级、Ⅱ级试验的SPD的预处理试验。

2、          最大放电电流Imax：流过SPD具有8/20波形电流的峰值，其值按Ⅱ级动作负载的程序确定。Imax大于In  .

3、          冲击电流Iimp：由电流峰值Ipeak和电荷量Q确定，其试验应根据动作负载试验的程序进行，是用于I级试验的SPD分类试验。

4、          最大持续工作电压Uc：允许持久施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。

5、          电压保护水平Up：表征SPD限制接线端子间电压的性能参数，其值可从优选值的列表中选择，该值应大于限制电压的最高值。

6、          限制电压：施加规定波形和幅值的冲击电压时，在SPD接线端间测得的最大电压峰值。

7、          残压：放电电流流过SPD时，在其端子间的电压峰值。

8、          SPD的脱离器：当SPD失效时，把SPD从电源系统断开所需的装置。

9、          持续运行电流：在对SPD加上Uc时，流入SPD保护元件的电流和流入与其并联的内部电路的电流之和。

10、     续流If：当SPD放电动作刚结束瞬间，流过SPD的由供电电源提供的工频电流。

11、     插入损耗：在特定的频率下，连接到给定供电系统的SPD插入损耗是指试验时，插入SPD之前和以后，出现在横跨干线紧靠插入点之后的电压比，对信息线路用SPD而言，插入损耗是在传输系统中接入SPD前后传输系统的功率之比值。用dB（分贝）表示。

12、     比特差错率BER：在一给定的时间内，信息传输系统中不正确地传输比特数与总传输比特数之比。

13、     SPD的频率范围fG：连接至信号线路的SPD在接入线路后，能产生能量损耗，规定在3dB的插入损耗下，取起始频率至截止频率为用于信号线路SPD的频率范围。

14、     SPD的数据传输速率bPS：用于信息线路的SPD在接入网络系统后应不影响系统传出的上限数据传输速率，用1s内传输比特值bPS表示，即bPS/S。

15、     回波损耗AR：在高频工作条件下，前向波在SPD插入点产生反射的能量比，它是衡量SPD与被保护系统的波阻抗匹配程度的一个参数。AR是反射系数倒数的一个模量，单位为分贝（dB）。当阻抗可确定时，可从下列公式确定AR：

AR=20×lgMOD[(Z1+Z2)/( Z1- Z2)]

式中：Z1：阻抗不连续点之前传输线的特性阻抗或源阻抗。

           Z2：不连续点之后的特性阻抗或从源和负载间的结合点所测到的负载阻抗。MOD是阻抗模的计算。

16、     近端交扰NEXT：交扰在干扰通道中的传播方向与电流在干扰通道中的传播方向相反。持续近端交扰的干扰通道端口通常与干扰通道的供能端接近或重合。

17、     I级分类试验：对试品进行标称放电电流In，1.2/50μs冲击电压和最大冲击电流Iimp的试验，Iimp的波形为10/350μs。

18、     Ⅱ级分类试验：对试品进行标称放电电流In，1.2/50μs冲击电压和最大放电电流Imax的试验。Imax的波形为8/20μs。

19、     Ⅲ级分类试验：对试品进行混合波（1.2/50μs，8/20μs）试验。

注：IEC61643-1序言中指出：

I级分类试验用于模拟导入的部分雷电流冲击，经I级分类试验的SPD一般建议安装在暴露处，如装有防雷装置的建筑物入户处，Ⅱ级和Ⅲ级分类试验用于承受持续时间短的雷击电磁脉冲，此类SPD一般安装在较少暴露处。



四、    低压配电系统SPD的选择应用

现在的防雷工程技术已进入一个新时期，要考虑雷电的各种物理特性和作用而实施。强大的闪电产生的静电场变化、磁场变化和电磁辐射，在一定范围内造成许多微电子设备的损坏。从前的防雷概念局限于沿着闪电电流或者闪电电压波传输的一维通道来考虑，但到了20世纪80年代以后则不同了，闪电在一维通道四周的三维空间产生危害。因此防雷工程必须从三维空间来设防。这是一种全新的思维，原来以为一个雷击被避雷针引入大地就达到了防雷的需要，不会出现雷灾。可是在几公里空间范围内仍有许多单位出现雷灾，甚至损失严重。这是因为，现今的各种电气和电子产品不得不在严重污染的电磁环境中工作。这种污染来自雷电、电气系统操作及故障，还有静电。它们所产生的异常高电压对信息技术产品的危害尤其严重。因为这类产品中大量使用着各种集成电路（IC）,其中元器件的尺寸，导线之间的间距只有几微米，甚至小于1μm。因此作用在它们上面的冲击电压只要稍微比设计值高一点就能使它们损坏。而这种损坏所造成的损失主要不在设备本身，而是因这些信息技术设备停止工作或工作错乱所造成的间接损失。例如一台银行电脑的电源板被雷击感应电压打坏，更换其中损坏的元件可能只是百元左右，但由于停机或内存资料丢失所造成的损失则无法计算。所以对于现代电子设备，特别是信息技术产品，防护异常过电压是个必须认真解决，丝毫不能马虎的课题。简单而草率地将SPD装置在各种线路中并不意味着就是最优的保护方案，只有正确地选择、配置、安装才能使SPD达到预期的效果，使保护方案成功地付诸实施。

SPD正常发挥效用的前提是将浪涌电压而引起的浪涌电流以最短的途径通过等电位系统接地。电源线、信号线、金属管道等都要通过等电位连接导体或电涌保护器进行等电位连接，各个局部等电位连接排互相连接。并最后与主等电位连接排相连。根据感应原理，电感量越大瞬间电流在电路中产生的电压越高。V=L·di/dt。而电感量主要与导线长度有关，而和导线截面关系不大。因此应使导线尽可能地短，尽量做到在需保护的区域内，所有导电部件都可认为是有接近相等的电位，因而不存在显著的电位差。

1、          电涌保护器配置方案等级的确定：

(1)决定系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数Nc

Nc=5.8×10-3/(C1+C2+C3+C4+C5)      次/年     (1)

其中C1、C2、C3、C4、C5的取值见表4.1

注：有些专家认为Nc应为5.8×10-2/( C1+C2+C3+C4+C5)较适合我国国情和业主的接受能力。

(2)根据地区雷暴日Td，决定地区雷击频度Ng

Ng=0.24Td1.3次/K㎡年                    (2)

                               
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注：C4一栏中防雷分区的概念引自GB50057—94（2000年版）

LPZ0A区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。

LPZ0B区：本区内的各物体不大可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。

LPZ1区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0B区更小；本区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施。

LPZn+1后续防雷区：当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。

注：n=1、2、……。

在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采取屏蔽措施。

注：LPZ0A与LPZ0B区之间无界面。

oibm

真没有想到还有这么深的学问的，电磁里边的要学的东西太多了！

atlantisyaoo

整理的真是太好了，以前对这些名词一知半解，眼下一次搞清楚，真是太感谢了！！

qucloud

以前做surge,那家伙,一个模块串冒火啊, 一下烧掉2万以上啊,
当时不明白是怎么回事,
down下来看看
楼主好样的,顶你一个

shanhui

我们的产品在许继国家继电器产品检测检验中心作浪涌试验时，三级通过了，四级死机，重新上电能完全正常。现在我们要通过四级，在此潜心学习。