防雷元器件的性能与应用

中心议题：

• 防雷元器件的性能与应用
• 电源防雷器电路设计
• 信号防雷器电路设计
• 单元电路中的过压、过流保护

一、防雷元器件的性能特点开关元件类

正常工作时，开关元件是断开的；当雷击浪涌来的时候，开关元件导通，将浪涌电流泄放到大地，从而保护了电子设备免受浪涌冲击损坏。开关元件类有陶瓷气体放电管、玻璃放电管（强效放电管）、半导体过压保护器（半导体放电管、固体放电管）三种类型。它们的优点是：
①击穿（导通）前相当于开路，电阻很大，几乎没有漏电流；
②击穿（导通）后相当于短路，可通过很大的电流，压降很小；
③脉冲通流容量（峰值电流）大：陶瓷气体放电管的8/20μs波峰值电流常用的有5kA、10kA、20kA等几种（当然还有更大的，达100kA以上），10/1000μs波峰值电流在几十至几百A之间；玻璃放电管的8/20μs波峰值电流现有500A、1kA、3kA三种；半导体过压保护器的10/1000μs波峰值电流在几十至上百A之间。
④除了个别半导体过压保护器外，它们都具有双向对称特性。
⑤陶瓷气体放电管和玻璃放电管的电容都很小，在3pF以下。
⑥玻璃放电管和半导体过压保护器的响应速度都很快，在ns量级。
⑦玻璃放电管的击穿电压可以做得很高，最高的达5kV。
⑧半导体过压保护器的击穿电压可以做得很准确。

它们的缺点分别是：

陶瓷气体放电管：
①由于气体电离需要一定的时间，所以响应速度较慢，反应时间一般为0.2～0.3μs(200～300ns),最快也就是0.1μs(100ns)左右，在它未导通前，会有一个幅度较大的尖脉冲漏过去。
②击穿电压一致性较差，分散性较大，一般为±20%。
③击穿电压只有几个特定值。

玻璃放电管和半导体过压保护器：
①通流容量较陶瓷气体放电管小得多。
②击穿电压尚未形成系列值。
③玻璃放电管击穿电压分散性较大，为±20%。
④半导体过压保护器电容较大，有几十至几百pF。

限压元件类

有压敏电阻、TVS管（瞬态电压抑制二极管）等。它们象稳压二极管那样具有限压特性。当外加电压小于其导通电压时，它具有很大的内阻，漏电流很小；当外加电压大于其导通电压时，其内阻急剧减小，可以流过很大的电流，而其两端的电压却只有少量的上升。它们的导通电压都有从低压到高压的系列值，便于在各种不同电压的电路中使用。另外，两者的电容都较大（TVS管也有低电容产品），不适于在高频电路中使用。

压敏电阻与TVS管的区别在于：压敏电阻能承受更大的浪涌电流，而且其体积越大所能承受的浪涌电流越大，最大可达几十kA到上百kA；但压敏电阻的漏电流较大，非线性特性较差（动态电阻较大），大电流时限制电压较高，且所能耐受的冲击电流的大小随冲击次数的增加而减小（降额特性），较易老化。TVS管的非线性特性和稳压管完全一样，动态电阻较小，限制电压较低，且不易老化，使用寿命长，但通流能力较小（10/1000μs波峰值电流在几A至几百A之间）。再有就是反应速度不同，TVS管的反应速度极快，为ps级，而压敏电阻反应速度稍慢，为ns级。

防过流和过热保护元件类防过流元件有自恢复保险丝、电流保险丝、电阻，防过热保护和过热检测元件有温度保险管和温度保险丝。

自恢复保险丝是一种正温度系数热敏电阻，当流过它的电流小于其保持电流时（温度较低），它的阻值很小；当流过它的电流超过其触发电流时（温度升高），它的阻值急剧增大，从而阻断雷电流的继续侵入或者电路的续流，温度降低后能自行恢复。但由于热惰性，其反应速度很慢，一般为秒级（流过的电流越大或温度越高，反应越快）。自恢复保险丝可以用于代替电流保险丝，免除经常更换的麻烦。温度保险管和温度保险丝是一种温度开关元件，正常工作时是短路的，当温度高于其断开温度时开关断开（不可恢复），常用于过热保护和过热检测。

二、防雷元器件的一般使用方法及使用注意事项

防雷元器件的一般使用方法

1.开关元件主要应用于共模保护，也常在无源电路中作差模保护。2.限压元件主要应用于差模保护，也常用在共模电路中和开关元件串联，防止开关元件导通后使线路与地发生短路；或者作为开关元件的限流元件以阻断续流，使开关元件复位。

使用注意事项

1.开关元件不能单独跨接在有源电路中作差模保护，为避免电源短路，必须串接限压元件。2.流过防雷元器件的浪涌电流必须小于其脉冲峰值电流。压敏电阻应按其降额特性选择。3.用作差模保护的防雷元器件，其最小击穿电压必须大于线路的最高工作电压。4.用作差模保护的防雷元器件，其限制电压必须小于被保护设备所能承受的最高安全电压。

三、防雷器电路设计概要

防雷器电路设计要达到两个目的：一是要将线路中感应的雷击浪涌电流泄放到大地，二是要使被保护设备端的浪涌电压限制在允许的安全电压以下。

电源防雷器电路设计

首先重点介绍了单相交流电源防雷器的两种最常用的电路：复合对称电路和“1+1”电路。叙述了电路工作原理、元器件选择原则、电路的失效保护方法与故障告警。然后介绍了三相交流电源防雷器和直流电源防雷器的典型电路与元器件选型原则。最后在指出并联式防雷器存在的缺点的基础上，提出了串联式（二端口）防雷器的概念，分析了串联式（二端口）防雷器降低限制电压的原理，并对串联式（二端口）防雷器设计中的相关技术问题做了说明。

信号防雷器电路设计

常用的信号传输系统有双线传输线、普通多芯电缆、双绞线多芯电缆、同轴电缆等。在信号防雷器中，可以归纳为双线不接地的传输电路和有接地线的双线或多线传输电路两种。注意：这里的“地”是指“信号地”，而不是指大地（保护地PE）。而根据可能遭遇的雷击浪涌电流大小不同，可以采用两级信号防雷器或单级信号防雷器进行保护。

单元电路中的过压、过流保护

我们的很多客户都是在他们自己设计的电路板上增加防雷元器件来达到保护设备的目的。因此，介绍一些单元电路中的过压、过流保护方法是十分必要的。