浪涌电压抑制器及其应用

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1浪涌电压

电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压,这种瞬时过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流),是一种瞬变干扰:例如直流6V继电器线圈断开时会出现300V~600V的浪涌电压;接通白炽灯时会出现8~10倍额定电流的浪涌电流;当接通大型容性负载如补偿电容器组时,常会出现大的浪涌电流冲击,使得电源电压突然降低;当切断空载变压器时也会出现高达额定电压8~10倍的操作过电压。浪涌电压现象日趋严重地危及自动化设备安全工作,消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害一直是关系到自动化设备安全可靠运行的核心问题。现代电子设备集成化程度在不断提高,但是它们的抗御浪涌电压能力却在下降。在多数情况下,浪涌电压会损坏电路及其部件,其损坏程度与元器件的耐压强度密切相关,并且与电路中可以转换的能量相关。

为了避免浪涌电压击毁敏感的自动化设备,必须使出现这种浪涌电压的导体在非常短的时间内同电位均衡系统短接(引入大地)。在其放电过程中,放电电流可以高达几千安,与此同时,人们往往期待保护单元在放电电流很大时也能将输出电压限定在尽可能低的数值上。因此,空气火花间隙、充气式过电压放电器、压敏电阻、雪崩二极管、TVS(Transientvoltagesuppressor)、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件,是单独或以组合电路形式被应用到被保护电路中,因为每个元器件有其各自不同的特性,并且具有不同的性能:放电能力;响应特性;灭弧性能;限压精度。根据不同的应用场合以及设备对浪涌电压保护的要求,可根据各类产品的特性来组合出符合应用要求的过电压保护系统。

2浪涌电压吸收器

浪涌噪声常用浪涌吸收器进行抑制,常用的浪涌吸收器有:

(1)氧化锌压敏电阻

氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体材料制成的压敏电阻,其电压非线性系数高,容量大、残压低、漏电流小、无续流、伏安特性对称、电压范围宽、响应速度快、电压温度系数小,且具有工艺简单、成本低廉等优点,是目前广泛使用的浪涌电压保护器件。适用于交流电源电压的浪涌吸收、各种线圈、接点间浪涌电压吸收及灭弧,三极管、晶闸管等电力电子器件的浪涌电压保护。

(2)R、C、D组合浪涌吸收器

R、C、D组合浪涌吸收器比较适用于直流电路,可根据电路的特性对器件进行不同的组合,如图1(a)适用于高电平直流控制系统,而图1(b)中采用齐纳稳压管或双向二极管,适用于正反向需要保护的电路。

图1R、C、D浪涌保护器

(a)单向保护(b)双向保护

图2TVS电压(电流)时间特性

 

(3)瞬态电压抑制器(TVS)

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kW的浪涌功率,使两极的电位箝位于预定值,有效地保护自动化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,目前被广泛应用于电子设备等领域。

①TVS的特性

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。

②TVS与压敏电阻的比较

目前,国内不少需要进行浪涌保护的设备上应用压敏电阻较为普遍,TVS与压敏电阻性能比较如表1所示:

表1TVS与压敏电阻的比较

参数 TVS 压敏电阻
反应速度 10-12s 50×10-9s
是否老化
最高使用温度 175℃ 115℃
器件极性 单双极性 单极性
反向漏电流 5μA 200μA
箝位因子VC/Vbr 不大于15 最大7~8
封闭性质 密封 透气
价格 较贵 便宜
3综合浪涌保护系统组合