季小偉+++章文亮
摘 要:文章闡述了發(fā)射臺(tái)站防雷電路中各類防雷元器件的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用情況,為更好地維護(hù)防雷系統(tǒng)提高一些技術(shù)層面的依據(jù),從而使防雷系統(tǒng)發(fā)揮有效作用,保護(hù)發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備,防止雷擊對人身安全和設(shè)備安全造成危害。
關(guān)鍵詞:氣體放電管;壓敏電阻;TVS;TSS;Y電容
1 氣體放電管
氣體放電管是一種開關(guān)型保護(hù)器件(如圖1所示),采用密閉封裝,內(nèi)部有兩個(gè)或數(shù)個(gè)帶間隙的金屬電極,其間充滿惰性氣體(氬氣或氖氣)。當(dāng)電極兩端電壓超過規(guī)定值時(shí),氣體放電管內(nèi)的氣體被擊穿導(dǎo)電,氣體放電管由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài),進(jìn)行過電流的泄放。同時(shí)使兩極間電壓維持在20~50V,以此來保護(hù)后級電路。
防雷設(shè)計(jì)中,氣體放電管使用時(shí)主要考慮的參數(shù)有:直流擊穿電壓、通流容量、沖擊擊穿電壓等。在普通交流線路上使用氣體放電管防雷時(shí),要求保證在正常工作波動(dòng)范圍內(nèi),放電管不能被擊穿,即要求當(dāng)Up為正常運(yùn)行時(shí)線路電壓峰值時(shí),直流放電電壓范圍應(yīng)為:min(Ufdc)≥1.8Up。其中Ufdc為直流擊穿電壓,min(Ufdc)為直流擊穿電壓最小值。
在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中,氣體放電管常被用于以下幾個(gè)地方:一是低壓交流電源三相四線各路對地的保護(hù);二是電子管各極偏壓或功率模塊整流輸出的直流電壓的接地保護(hù);三是系統(tǒng)各控制信號和檢測信號回路對地的保護(hù);四是天饋線內(nèi)層芯線對外層地線的保護(hù)。氣體放電管大多數(shù)的失效情況為開路,極少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)短路的失效模式。氣體放電管主要短板在于使用壽命相對比較短,經(jīng)多次沖擊后性能下降明顯。因此要在檢修維護(hù)中定期對氣體放電管進(jìn)行檢測,特別是經(jīng)過雷雨天氣后,長期使用的要更換。
2 壓敏電阻
壓敏電阻屬于常用的限壓型保護(hù)器件(如圖2所示)。壓敏電阻的電壓與電阻成非線性關(guān)系,當(dāng)壓敏電阻的兩端出現(xiàn)過電壓時(shí),它將接近短路并將兩端電壓鉗位到一個(gè)相對較小的值,以此避免過電壓對后級電路的破壞。在使用壓敏電阻時(shí),我們注意考慮的參數(shù)是:壓敏電壓、通流容量、響應(yīng)時(shí)間、結(jié)電容等。
壓敏電阻一般可用于電子電路中的過電壓保護(hù),其響應(yīng)時(shí)間小于空氣放電管,但大于TVS管,為ns級,滿足電子線路響應(yīng)速度快的要求。其結(jié)電容一般在幾百到幾千nF,漏電流較大,因此壓敏電阻不能直接用于對高頻信號線路的過電壓保護(hù)。
我們在采用壓敏電阻設(shè)計(jì)防雷電路時(shí),應(yīng)該重點(diǎn)考慮其壓敏電壓min(U1mA)和通流容量。在直流電路中,要求壓敏電壓大于2倍直流工作電壓。在交流電路中,壓敏電壓大于2.5倍交流工作電壓。這個(gè)取值在保證壓敏電阻正常工作時(shí),還能有適當(dāng)?shù)母挥嗔?。在信號電路設(shè)計(jì)中,應(yīng)壓敏電壓一般大于1.5倍信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量小于氣體放電管,一般不用于大電流電路??筛鶕?jù)防雷設(shè)計(jì)要求來決定壓敏電阻的通流容量。通常選用的壓敏電阻通流值大于電路設(shè)計(jì)要求的最大通流量,且至少能經(jīng)受兩次電流沖擊不損壞。
壓敏電阻主要是短路失效模式。但若是流經(jīng)的過電流過大時(shí),也可能造成閥片炸裂損壞而開路。壓敏電阻經(jīng)多次過電壓沖擊后,性能下降明顯,因此其使用壽命縮短,需定期檢測,定期更換。
在發(fā)射機(jī)的低壓整流濾波電路中,經(jīng)常使用壓敏電阻對輸入電源進(jìn)行保護(hù)。
3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)
限壓保護(hù)器件類還包括電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管TVS(如圖3所示),它的電壓與電阻關(guān)系也具有非線性特性,當(dāng)其工作時(shí),會(huì)鉗位過電壓到一個(gè)接近0V的值,以實(shí)現(xiàn)對電路的保護(hù)。主要性能參數(shù)有:最大鉗位電壓、反向擊穿電壓、響應(yīng)時(shí)間等。
TVS管的非線性特性更適合過電壓保護(hù),當(dāng)加在TVS管上的過電壓增大時(shí),TVS管的鉗位電壓上升速度比較慢,獲得的殘壓輸出更理想。因此在對信號要求較高的控制和檢測回路中,一般選擇使用TVS管。同時(shí)由于TVS管有在所有限壓型浪涌保護(hù)器件最小的的通流容量,它一般更多的用在最末級的精細(xì)保護(hù)。同樣因?yàn)檫@個(gè)原因,其一般不用于交流電源的保護(hù)。而在功率模塊或直流偏壓等直流電源中使用TVS管保護(hù)時(shí),一般都需要同壓敏電阻等通流量大的器件配合使用,這樣才可以滿足較大功率輸出。TVS管具有較好的集成性,適合在單板上使用。
TVS管可以進(jìn)行單向或者雙向保護(hù)。在直流電路和單極性的信號電路中,一般采用單向TVS管,其輸出的殘壓比壓敏電阻低50%以上。
防雷設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮TVS的通流容量和反向擊穿電壓。在直流回路中,有min(U1mA)≥(1.8~2)Udc。在信號回路中,有min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax。
在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中,TVS管常見于直流偏壓電源、控制信號線路和天饋線路等的防雷保護(hù)中。其主要工作模式是短路鉗位。但TVS管也可能因過電流太大,導(dǎo)致炸裂而開路。相比于壓敏電阻,TVS管擁有相對較長的使用壽命。
4 電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管(TSS)
與TVS相同,電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管TSS(如圖4所示),也是采用半導(dǎo)體工藝的限壓保護(hù)類器件,其工作原理為與TVS也一致。不同的是,當(dāng)TSS管兩端的過電壓大于TSS管的擊穿電壓而近似短路時(shí),這種短路狀態(tài)可以持續(xù)保持,直到流經(jīng)的過電流小于擊穿電流,然后TSS管重新恢復(fù)到開路狀態(tài)。因此設(shè)計(jì)采用TSS管的信號線路中,線路的工作電流必須小于TSS管的臨界恢復(fù)電流,否則將出現(xiàn)信號失真。
在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮TSS的擊穿電壓和通流容量。在信號回路當(dāng)中,有:min(U1mA)≥(1.2~1.5)Umax。TSS管一般用于信號線路防雷保護(hù),其失效模式主要是短路,但當(dāng)過電流過大,也可能導(dǎo)致炸裂而開路,使用壽命相對較長。
5 電感、導(dǎo)線
前面已經(jīng)討論了四種防護(hù)器件的相關(guān)參數(shù)特性,它們各有其優(yōu)點(diǎn)和不足。而要使設(shè)計(jì)的防護(hù)電路,滿足整體功率較大、保護(hù)全面等要求時(shí),單一的防護(hù)器件很難做到,一般采用幾種防護(hù)器件的組合設(shè)計(jì),使各個(gè)器件發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn),避免各自缺點(diǎn),才能實(shí)現(xiàn)符合要求的保護(hù)特性。在使用幾種防護(hù)器件時(shí),通常還配合使用電阻、電感、導(dǎo)線等元件。
在串聯(lián)式直流電源中,要求線路上壓降不能過大,因此在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí),可以采用空芯電感,配合極間電路。當(dāng)防護(hù)電路前級滿足設(shè)計(jì)通流量時(shí)(即大于TVS管的通流量),TVS上的過電流必須要小于TVS管的最大通流量,此時(shí)可以通過電感來提供足夠的限流能力。
當(dāng)在有些滿負(fù)荷工作電流很大(超過30A時(shí))的交直流設(shè)備中極間配合使用電感,會(huì)出現(xiàn)體積過大的問題。此時(shí)可以把防護(hù)電路分為前級和后級兩個(gè)部分,分別設(shè)計(jì)在兩塊電路板上,兩者之間用規(guī)定長度的導(dǎo)線來做連接,它所起的作用與電感類似,1米長的導(dǎo)線的電感量在1~1.6μH之間,且能有效解決電感做極間配合時(shí),工作電流不能過大的問題。
6 變壓器、光耦、Y電容
變壓器、光耦和Y電容都不是保護(hù)型器件,但在設(shè)計(jì)電路時(shí),利用這些元器件的隔離特性,可以提高電路抗過電壓能力。
電路端口的雷擊保護(hù)設(shè)計(jì)按照工作方式,通常分為兩種:一種是通過安裝保護(hù)器件,達(dá)到對地限壓的目的,此方法當(dāng)電路中出現(xiàn)過電壓時(shí),保護(hù)器工作為短路狀態(tài),泄放過電流;第二種是采用隔離元件,使兩邊電路不共地,當(dāng)電路中出現(xiàn)過電壓時(shí),隔離元件的兩端產(chǎn)生瞬時(shí)電壓差。只需隔離元件絕緣電壓大于電壓差,電路上的過電壓就不能通過隔離元件,進(jìn)而破壞內(nèi)部設(shè)備。此時(shí)電路只需要差模保護(hù),且保護(hù)電路可以大為簡化。采用這種方法保護(hù)的主要有以太網(wǎng)口端口等等。采用的隔離元件一般有變壓器、光耦、Y電容等。
這里的變壓器主要是指用于弱點(diǎn)端口的各種信號傳輸變壓器。選用此類變壓器時(shí),主要考慮的是變壓器的沖擊耐壓值,一般其大致估算方法為:沖擊耐壓值=2×直流耐壓值=3×交流耐壓值。
圖5是一種采用變壓器結(jié)合的信號端口防護(hù)電路設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí),外線上可能串入對地共模過電壓,該過電壓將作用于變壓器的初級和次級間,從而消除對內(nèi)部電路的影響。
7 結(jié)束語
本文重點(diǎn)介紹了發(fā)射臺(tái)站防雷電路設(shè)計(jì)中常用的六種防雷元器件的原理、性能特點(diǎn)以及應(yīng)用情況。重點(diǎn)介紹如何通過配合使用各保護(hù)器件,獲得更好的防雷效果。為設(shè)計(jì)和維護(hù)防雷系統(tǒng)提供一些技術(shù)層面的依據(jù),從而使防雷系統(tǒng)發(fā)揮有效作用,防止雷擊對人身安全和設(shè)備安全造成危害。