【導讀】據(jù)估計,電子產(chǎn)品的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應電壓,這些都是電子產(chǎn)品的隱形致命殺手。因此,為了提高電子產(chǎn)品的可靠性和人體自身的安全性,必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。
據(jù)估計,電子產(chǎn)品的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應電壓,這些都是電子產(chǎn)品的隱形致命殺手。因此,為了提高電子產(chǎn)品的可靠性和人體自身的安全性,必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。
產(chǎn)生浪涌的原因是多方面的,浪涌是一種上升速度高、持續(xù)時間短的尖峰脈沖。電網(wǎng)過壓、開關 打火、虬源反向、靜電、電機/電源噪聲等都是產(chǎn)生浪涌的因素。而浪涌保護器為電子設備的電源浪涌防護提供了一種簡便、經(jīng)濟、可靠的防護方法。
眾所周知,電子產(chǎn)品在使用中經(jīng)常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導致電子產(chǎn)品的損壞,損壞的原因是電子產(chǎn)品中的半導體器件(包括二極管 、晶體管 、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿 。
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其方法之一是使整機和系統(tǒng)接地,整機和系統(tǒng)的地(公共端)和大地應分開,整機和系統(tǒng)中的每個子系統(tǒng)均應有獨立的公共端,在子系統(tǒng)之間需傳輸數(shù)據(jù)或信號時,應以大地為參考電平,接地線(面)必須能流過很大的電流 ,如幾百安培。
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第二種防護方法是在整機和系統(tǒng)中的關鍵部位(如電腦的顯示器 等)采用電壓瞬變和浪涌的防護器件,使電壓瞬變和浪涌通過防護器件旁路到子系統(tǒng)地和大地,從而讓進入整機和系統(tǒng)中的瞬變電壓和浪涌幅度大大降低。
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第三種防護方法是對重要和昂貴的整機和系統(tǒng)采用幾個電壓瞬變和浪涌防護器件的組合形式,以構成多級防護電路 。
浪涌保護器為電子設備的電源浪涌防護提供了一種簡便、經(jīng)濟、可靠的防護方法,通過防浪涌元件(MOV),在雷擊感應及操作過電壓時,迅速將浪涌能量傳入大地,保護設備免遭損害。
對浪涌的防護方法
(1) 并聯(lián)型電涌保護器并聯(lián)于供電線路上
在正常情況下,防雷模塊內(nèi)的壓敏電阻 處于高阻狀態(tài)。電網(wǎng)遭受雷擊或開關操作出現(xiàn)瞬時浪涌過電壓時,防雷器在納秒級時間內(nèi)響應,壓敏電阻呈低阻狀態(tài),迅速將過電壓限制在一個很低的幅值內(nèi)。
當線路中有較長時間的持續(xù)脈沖或持續(xù)過電壓,壓敏電阻器性能劣化而發(fā)熱到一定程度使熱脫機構脫扣,避免火災發(fā)生,從而保護設備。
(2) 串聯(lián)濾波型電涌保護器串聯(lián)接入供電線路中
為貴重的電子設備提供安全、潔凈的電源,雷電波除了有巨大的能量外,還有極其陡峭的電壓及電流上升率。并聯(lián)型電涌保護器只能抑制雷電波的幅值,但無法改變其急劇上升的前沿。串聯(lián)濾波型電源電涌保護器串聯(lián)于供電線路上。
在過電壓情況下MOV1、MOV2在納妙級時間內(nèi)做出響應,將過電壓箝位;同時LC濾波器將雷電波陡峭的電壓,電流提升率降低近1000倍,殘壓降低5倍,從而保護敏感的用戶設備。
(3) 在電源線的相間、線間安裝壓敏限幅型元件,以限制浪涌過電壓
第一種方法對照明、電梯、空調(diào) 、電機等耐沖擊電壓水平較高的電氣設備的防護效果比較好。但對于集成度高、結構緊湊的現(xiàn)代電子設備來說,實際防護效果就不那么令人滿意了。理由如下:
以單相220V交流電源的感應雷擊防護為例,常用方法在零、地線之間并上合適的壓敏型元件,以吸收限制感應雷擊產(chǎn)生的尖峰電壓。電源線路防雷效果的好壞完全取決于壓敏器件參數(shù)的選擇和壓敏器件工作的可靠性。
壓敏限幅值的選擇是在市電的峰值310V的基礎上加上20%的電網(wǎng)波動影響、10%的器件分散性誤差和15%的因長期工作造成發(fā)熱、受潮、元件老化等可靠性因素補償,一般取值為470V~510V。感應雷擊等各種尖峰干擾電壓都被限制在470V。對于470V以下的電壓,壓敏器件不動作。
普通低壓電器設備(機床、電梯、照明、空調(diào)等)的工頻耐壓值一般為交流1500V,而瞬間耐壓峰值可達2500V以上,所以470V的電壓是十分安全的。但大規(guī)模集成電路組成的現(xiàn)代電子設備的工作電壓一般為±5V~±15V之間,最高耐壓值一般不超過50V,所以疊加在市電上的小于470V的高頻尖峰電壓就會直接送入負載,通過空間耦合 電容 ,變壓器 層間、極間電容不成比例地傳到開關電源 或集成電路芯片上,能造成故障。
盡管高頻開關電源和電子設備都有相應的防尖峰干擾措施,但受成本和體積限制,再加上感應雷擊等尖峰干擾的強度、頻譜變化很大,所以防護效果不理想。這還是在壓敏限幅元件比較理想的情況下得出的效果,實際上由于壓敏元件殘壓和引線電感的影響,在較強感應雷擊下,可能會導致實際限幅電壓峰值升到800V~1000V以上,而使后級電子設備遭受威脅。
(4) 加強對電子設備的防護效果,在電源與負載間串入超隔離變壓器(又稱隔離法),以隔絕高頻尖峰干擾,同時又可使次級等電位聯(lián)接便于進行。
隔離法主要采用帶屏蔽層的隔離變壓器。由于共模干擾是一種相對大地的干擾,所以它主要通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。如果在初、次級之間插入屏蔽層,并使之良好接地,便能使干擾電壓通過屏蔽層分路掉,從而減小輸出端的干擾電壓。
理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達到60dB左右。但隔離效果的好壞,往往取決于屏蔽層的工藝。最好選用 0.2 mm厚的紫銅板材 ,原邊、副邊各加一個屏蔽層。通常,原邊的屏蔽層通過一個電容器 與副邊的屏蔽層接到一起,再接到副邊的地上。也可以原邊的屏蔽層接原邊的地線,副邊的屏蔽層接到邊的地線。并且接地引線的截面積也要大一些好。采用帶屏蔽層的隔離變壓器,是個好方法,只是體積較大。
這種方法因變壓器功能過于單一,相對體積、重量大,安裝不甚方便,對中、低頻尖峰和浪涌防護效果不好,因此市場有限,生產(chǎn)廠家也不多。所以非特殊場合一般都不用。
(5) 吸收法
吸收法主要采用吸波器件將浪涌尖峰干擾電壓吸收掉。吸波器件都有共同的特點,即在閾值電壓 以下呈現(xiàn)高阻抗 ,而一旦超過閾值電壓,則阻抗便急劇下降,因此對尖峰電壓有一定的抑制作用。
這類吸波器件主要有壓敏電阻、氣體放電管、TVS 管、固體放電管等。不同的吸波器件對尖峰電壓的抑制也有各自的局限性。如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大,氣體放大電管的響應速度較慢。