小议电子设备瞬间浪涌的防护
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摘 要： 雷电及操作过电压是电子时代的一大公害。雷击分为直击雷和感应雷。直击雷是雷电直接击中建筑物、电气设备、电气线路，造成强大的雷电流通过击中的物体泄放大地；感应雷分为静电感应雷和电磁感应雷两种。雷电过电压和感应过电压直接或间接的给人们的生活造成巨大的影响，随着集成化程度的不断提高对自动化设备的控制系统的危害与日俱增，预防来自雷电、开关操作、静电放电等原因带来的瞬间浪涌的侵袭很有必要。
关键词： 自动化控制系统； 瞬间浪涌； 过电压防护
中图分类号： TM862 文献标识码： A 文章编号：1009-8631（2010）07-0063-02
引言
随着信息技术的快速发展，各种原因引起的过电压现象日益严重的危害电子设备。雷电过电压通过电源系统、网络线或信号专线进入计算机中，假如没有进行系统的过电压防护就会毁坏计算机及电子设备造成无法挽回的经济损失。当电流在导体上流动时，会产生磁场储存能量，电流越大，储能越多，当大负载电气设备开关时，线路中储能必须瞬间转移产生瞬间过电压，瞬间过电压对不同阻抗的负载将产生不同的危害。还有，在电气线路上挂接了大量的用电设备，开关电源也会给供电电网带来干扰，形成操作过电压，操作过电压持续时间较长能量大，对线路和电气设备造成极大的损坏，只有过电压保护器才能吸收这部分能量使线路和设备免受其害。可以看出自动化设备的控制系统的雷电防护和操作过电压保护已经成为一项非常重要的事情。对于任何电子系统而言，电压或电流的瞬间浪涌都可能使其毁坏，增加防护元件防止浪涌，提高设备的耐受能力，也就成为电子设备设计师设计产品的必然考虑，目的是提高电子设备的可靠性及最佳利用率。
一、防护元件可以提高电子设备耐受浪涌的能力
浪涌是指由外部影响造成的异常高工作电压和瞬时的电压升高。浪涌总是具有瞬时效果，是一种突发性的事件，产生的原因大致可以分为两大类：瞬时的和较长时间的。相间或相与地之间由于开关操作、短路及其他原因造成的浪涌，持续时间很短。在电网的相间或相与地间发生的振荡浪涌，持续时间长。大家知道直击雷可以造成火灾或人身伤亡。其实感应雷的破坏也不可小视，感应雷称为二次破坏。浪涌迅速降低了设备中电子元器件的寿命对所有的电子设备和数据系统都有潜在的危害，异常的高电压能造成设备的部分或全部损毁，太低的电压也能造成集成电路的损坏导致相同的后果。假如直击雷电引起了森林大火，这时感应过电压沿电源系统导线进入家电设备和计算机，其过电压幅值足以击穿家电和计算机；感应雷过电压也可能沿着电视接收天线和计算机网络系统数据信号的发射或接收天馈线、网络连接线进入家电设备和计算机，其过电压幅值足以击穿家电和计算机。若在电源系统、网络连接系统、天馈线等安装过电压保护器，感应过电压会通过过电压保护器，将过电压幅值降低到家电设备和计算机能够承受的幅值内，确保家电设备和计算机不受损害，正常工作。对建筑物、电气线路、网络线路、电气设备的直击雷、感应雷、操作过电压等采用不同方案防护是非常重要的。与此同时压敏电阻、TVS二极管、气体放电管等保护元件单独或组合的形式被使用，这种做法非常有效。我们用8/20μS电流波模拟间接雷击和开关操作来做一个小试验（见表1）
从表1的模拟雷击试验结果可以看出：三极管C-E间没有防雷元器件对其保护，只能耐受8/20μS脉冲电流10A。用氧化锌压敏电阻器或过电压保护器和三极管C-E间并联使用，可以提高三极管C-E间耐受8/20μS脉冲电流的能力，采用的防雷元器件能量耐量越大，对三极管C-E间雷电和操作过电压保护水平越高。
二、选择适合的防护单元
目前防护元件市场日渐繁荣各有千秋，我们可以根据保护的需要从中选择合适的单元。
1. 气体放电管：一般用做粗级保护场合。气体放电管的结构是有两个或数个金属电极，电极之间有一定的间隙，管内充满稳定的惰性气体，并保持一定的压力，用玻璃或陶瓷密封封装。气体放电管的放电电压由充气的气体和两极间的距离决定，当电压上升到放电电压之前气体放电管是一个绝缘体，当瞬态电压超过元件的放电电压时，产生电弧放电，使气体由一个良好的绝缘体变成一个阻抗的等离子体，电压会减低到几乎与电流大小无关的电弧电压，从而旁路了过电压的能量。他的明显的优点是耐浪涌电流值很高，能够承受的能量很大，电容值很低但值得注意的是：它的触发特性与时间相关，击穿电压一致性较差，分散性较大，反应后电路中会产生后续电流，使用时电路中可串联一个熔断器，使得这种电路中的电流很快中断。
2. 压敏电阻：一般用做中级保护场合可以在排放大电流之后进一步降低线路中剩余的残压。金属氧化物压敏电阻是用烧熔的氧化物制成，内部结构可以看作串联和并联的二极管的网路。其作用相当于一个可变电阻，当元件两端的电压增大时，由于内部二极管达到崩溃电压使得净电阻值减小，从而将过电压嵌位在一定值，价格比较低。值得注意的是：它能耐受的冲击电流的大小随冲击次数的增加而减小；电容较大，不适于在高频电路对信号产生严重的阻尼作用；压敏电阻较易老化，漏电流较大，在灵敏的测量电路中可能造成测量失真，在电子通讯的应用上不很理想。
3. TVS管（瞬态电压抑制二极管）：一般常用于精细级保护。也是嵌位类型过电压保护元件，当电压超过元件的崩溃电压TVS管，随着加在其两端的电压不同而改变其阻抗，将电压嵌位在一定值。TVS管特性不易蜕化。只要工作在它的特定限制范围内，其电气参数也不会改变。值得注意的是：无法承受太大的瞬间电流，通流能力较小，电流负荷能力很弱，电容相对较高，特别适合使用于不需要旁路大能量的低电压场合的应用。
4. 元件组合保护：为了充分利用气体放电管、压敏电阻、TVS管的优点，克服它们的不足，经过合理的参数匹配将3种元件并联组合，过电压到来时TVS管第一个动作，使得放电电流随着峰值的增长，在TVS管可能被毁坏之前换流到前面的压敏电阻上去，如果达到了压敏电阻的极限放电能力再次换流到气体放电管的通路，放电电流较小时气体放电管不动作。这个组合汇集了放电动作快、电压限位值低以及放电能力强等优点。TVS管的过载，以及出现电网后续电流时电路保险丝经常融断等缺点也得到解决。
5. 固态放电管保护：主要用于保护敏感易损的集成电路。因为他能精确导通、无限重复、相对可靠、快速响应可以广泛用于通讯设备中的程控交换机、电话机、电视机、传真机、配线架、通讯接口、调制解调器、网络、有线电视系统等一切需要防雷保护的领域。
结语
电压或电流的瞬间浪涌都可能使设备的自动化控制系统失效或损坏，电子设备的设计者不要忽视突波的危害性，雷电防护的安全程度与其经济成本有直接对应关系，若要求安全程度越高，则所投入的雷电保护系统就越完善，所选雷电保护器件性能越高，成本就会越大，加入“浪涌防护”元件后会增加设备的成本、不加入“浪涌防护”元件就会给电子设备留下隐患，造成数据库的整体丢失、设备彻底损坏的经济损失。