如何选择并应用防雷元件（三）

（4） 稳态（齐纳）管和开关二极管。他们均属于半导体元件，因其动作速度快（纳妙级），限幅电压很低，是电子设备中“细”保护*的元件，靠其伏安特性的箝位作用而达到限幅保护的目的。耐流能力低是其突出的缺点。

　　稳压管利用它反偏电压超过规定值（如图7所示U2）时而进入导通状态，流经管子的电流迅速增加，从高阻状态旋即进入滑线变阻器低阻状态。管子两端的电压变化很少，箝位在所要求的电压上。如果将两个稳压管反极性串联在一起，就能达到以正、反向限幅保护的目的（如图7所示）。不过，硅管比锗管能耐受更大的功率，故保护多使用扩散结硅稳定管，市场出售的2CW系列管，可提供从几伏至上百伏的限幅保护。正向使用则可实现0.7V的极低限幅电压的保护值。

　　硅开关二极管与齐纳不同，其方向特性在击穿之后不能恢复。所以，主要利用正向特性进行极低电压的保护，限幅电压也为0.7V。当然，若用n个管子串联，可得0.7nV的限幅值。常用的国产管有2CK114或2CK115等。

　　（5） 正温度系数热敏电阻器。这是一种电阻值随温度增加而增加的非线性元件，主要起限流作用。当受外来的过指针高压兆欧表电流（非雷击）影响时，规定的短时间内电阻值急剧增加，从而限制回路上的过电流（如工频）在允许的范围内，保证了设备的安全。但他对雷电的反应很迟钝，不起防雷电（过电流）作用，只是很多保护电路上都有使用，便在此略提一下。

　　针对上述的几种保护元件的特性，现做一粗略的比较，如表1所示，以供参考。 性能 保护元件 响应时间 耐流能力 残压 电容 使用范围 备注 气体放电管 zui慢 zui强 zui高 zui小 *、二级保护 压敏电阻 较快 强 较高 zui小 *、二级保护 瞬态二极管 快 较强 低 较大 第二或*级保护 作*级保护时应慎用 稳压管 快 弱 更低 较大 第二、第三级保护 开关二极管 zui快 zui弱 zui低 小 第三、四级保护 （表1 几种保护元件特性的比较）

　　4. 保护元件的选择

　　选择保护元件主要考虑以下几点。

　　（1） 首先应确定保护元件的静态工作范围，据此选取合适的标称值。如气体放电管的标称直流击穿电压、压敏电阻的压敏电压值、瞬态二极管的不动作电压值和稳态管的稳压值等。这些标称值应高于该电路扁平橡套软电缆可能出现的zui高稳态电压值（供电电压、信号峰值电压等的叠加值）。至于开关二极管很多是以两只管反向并联使用，获得双向保护[如图a8所示]，这时，a、b线间的稳态电压值必须小于0.7V（并留有余量），否则会影响电路的正常工作。若这时不能满足要求，可以如图8（b）所示的方法获得0.7nV的电压值。而稳压管亦可采用此方法，甚至必要时稳压管和开关管按需混串后再并联使用。这样可以获得多种稳态电压值和不同的电容值。

　　（2） 保护元件本身固有电容值是否影响信号的传输，它对高频电路（如天馈线输入、人部分）中的保护元件尤为重要，气体放电关在这方面有较大的优势，其电容值约5pF或更低。

　　（3） 保护远见的残压无论何时都应低于被保护设备或电路的损坏电压，还有一定的程度。气体放电管一节中曾提到“伏秒特性”，其实每一种保护元件都有此特性，它能动态的反映保护效果。同样，每一被保护设备或电路也有它们各自的“伏秒特性”，只不过它动态的反映地是其损坏值（安全值）。保护设计时这两种伏秒特性要互相配合好。显然，从保护角度来看，保护元件的伏秒特性任何时候都应在被保护对象的伏秒特性之下（如图9所示），这是的保护是“”的、zui有效的。如图10（a）所示中表示C点左边为“保护区”，设备得以保护，而C点的右边却是设备（被保护的）反过来“保护”了保护元件，设备必遭损坏，为失去保护区，这与设计的初衷是相反的。

　　通常保护元件的数据仅提供冲击波形前沿为某一上升速率下的残压值，也即是其伏秒特性中的某点，远非其全部，这当然给保护设计带来困难。所以，必要时应测出保护元件的伏秒特性。至于被保护对象超低频高压发生器的伏秒特性更是无从可得，非亲自努力获取不可，难度自然更大一些，如果能这样，当时*选择。倘若为了简化工作，按个方面要求选好保护元件并安装好，再用不同上升速率的或可能出现的冲击波形进行模拟雷击试验，以检验保护效果能否达到预期的目的。

　　（4） 根据设备或电路的需要，选取有足够耐流能力的保护元件。我们总希望有尽量多的冲击电流（能量）通过它旁路，不进入设备内部，而其本身亦安全无恙。否则，被击坏之后，若不能及时发现和更换，随之而来的浪涌即会造成损坏。那么，如何确定需要的耐流能力？首先考虑环境条件、雷暴日数、雷电强弱以及损坏概率等。如果用于紧靠外线连接处，保护元件需承受如上推断的zui大的冲击（浪涌）电流。其次，要考虑被保护对象是与架空线路连接还是与埋地线路连接。例如，架空线上出现雷电流的概率，超过100kA的约占2%，若经过线路或各种设施的衰减而达到设备时电流就小得多，考虑到电流值用不着达到100kA的水平，连接信号传输线路的情况亦如此。

　　我们一般将使用的环境划分为非暴露环境和暴露环境，既非暴露环境指城市中心区和低暴露活动的地区，其间出现的过电压极少超过保护远见的残压；暴露环境之处非暴露环境外的其他区域、环境，也包括必须采取一切有效保护措施才能获得满意保护效果的特性环境，如市郊、新经济开发区及强雷暴活动地区等。一般而言，使用在非暴露环境的保护元件2.5~5kA的耐流能力应不会损坏，暴露环境则需要5~20kA甚至更高。

　　四、 保护元件的应用

　　1． 多级保护

　　2． 从上面的介绍可知，耐冲击能力强的保护元件其残压较高，动作速度亦相对较慢，反之亦然。而从线路袭入的过电压均具有较大的冲击能量。所以，设置在紧靠外线侧的保护元件*，应能承受产大能量的冲击，因而用气体放电管或压敏电阻zui为适合。特殊情况下（如非暴露环境）也可用瞬态二极管。习惯上，这称之为*级保护。由于经*级保护后其残压人达数百伏甚至上千伏之高，尚足以击坏其后的元（器）件，尤其像晶体管、集成电路之类的电路，故也俗称为“粗”保护，很能突出这一保护级的特点。由此可见，*级保护之后还必须设置一些对雷电能迅速相应的、残压足够低的保护元件（如压敏电阻、稳压管、开关二极管等），称为第二级保护。经过第二级之后，残压依然较高，只有采用三级甚至四级以上的保护才足以把外来的过电压限制到足够低的水平上而达到预期的目的。第二（三）级之后的保护相应的称为“细”保护。防雷技术上把这些通过“粗”、“细”保护结合起来逐级限幅的方法称之为“多级保护”。“粗”、“细”保护的技术视具体需要而定。

　　3． 当进行多级保护设计时，注意的不能如图11所示那样简单的把几种具有不同耐流能力、响应速度元件并联在一起，以为它必然按我们所希望的G1→G2→G3顺序动作（放电、导通），实际上不一定如此。因为G3和G2的响应速度均高于G1，且其伏秒特性处于不同量极，G1zui高、G2次之、G3zui低。极可能出现G3先于G2动作（导通），G2先于G1动作（导通），或G2导通后G1不能放电。因而，巨大的冲击能量仅有耐流能力较低的G2或G3单独承担，他们自然易遭损坏。如欲达到所希望的顺序放电、导通的目的，应如图12所示的方法连接，各保护元件间分别串接一个网络（或元件），它可以是电阻、电容、电感或它们的组合网络。我们称之为保护级之间的“隔离”。如果“隔离”不够，后继的动作可能影响到前级而损坏耐流能力弱的保护元件或造成保护及之间的过流。

　　另外，还应注意的是，即使是用滑线指示灯两个相同型号、规格的保护元件，假定每一个的耐冲击电流能力为5kA（8/20μs），并联之后的耐流能力不能视之为10kA（8/20μs）。因为这两个保护元件的特性、响应时间等不尽相同，不会同时动作。若10kA的冲击电流袭入，它们会先后损坏，失去保护功能。

　　2．增强保护效果的其他措施

　　当进行保护设计时，还可以采取如下措施以增强保护效果。

　　（1） 设备电路的接地良好。

　　（2） 利用增大电流负反馈来限制晶体管等的过流。

　　（3） 装有如滤波器等频率分手表式近电报警器割部件时，可在不影响电路正常工作的前提下，尽量提高高通滤波器的截频或尽量降低低通滤波器的截频，增大阻带衰耗。

　　（4） 在不影响正常工作的条件下，电路中可串入近两大的限流电阻和并联电容器（容量尽量大），以限制其他过流河旁路过电流。

　　（5） 尽可能缩短保护元件的引线，直接装在需要保护的电路上。

　　（6） 在易受浪涌冲击的电路中应选用碳膜电阻，不要使用耐冲能力较差的金属膜电阻。

　　（7） 高频电路中使用稳压管作“细”保护时，应考虑其固有电容值对工作状态的影响。由于其PN结电容量随端电压而改变，即反偏电压越大，结电容量越小，令偏压时则zui高（如图13所示）。所以，可根据电路对电容的要求，给该稳压管加上一定的偏执电压。亦可用如表而叙述的一些方法达到地电容的保护目的。

　　3． 用的“细”保护电路

　　需要达到极低限幅电压保护时，“细”保护电路可以由稳压二极管反向串联或并联，或用开关二极管构成各种保护电路，他们可按要求灵活组合，常用的几种细保护方法如表2所示以供参考。表中序号1a电路利用Vce在稳压管2上形成的反偏，实现正、负两个极性的限幅，正向冲击的电力测试导线限幅电电压为Vz。1b由两个稳压管Z反串而得到双向保护，它仅能适用于接入的电路点上无直流电压的情况，限幅电压为稳压管的反向击穿电压Vz。序号2乃通过串联高速开关二极管D获得低级间电容的保护。序号3与1b相似，所不同的是用开关管反向并联而达到双向对称保护目的，但其容量比1b小得多。通过改变串联管子的个数n，获得需要的限幅电压值为单管正向压降的n倍，电容量也各有不同。序号4的原理与1b相同，只因两只稳压管加了反向偏压，其总电容量比之1b低得多。序号5的电路是在序号4的原理基础上串联一个开关二极管D，这样可以获得更低的电容量，但这是需有另一条支路作相反极性的保护，两条支路的限幅电压均为稳压管的稳压值Vz。

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