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弱电设备的浪涌保护

  
评论: 更新日期:2011年03月10日

  
  
  2抑制浪涌的原理
  

  从图2几种雷击波涌的频谱曲线图可以看出,浪涌波形的波前时间越短,则其所包含的频带越宽,频率越高。对电子设备电磁兼容来说,高频是辐射干扰的主要原因。可以发现,快速静电放电脉冲虽然只有50ns的波长,10kV电压脉冲,对于50Ω电阻的放电能量也只有E=100mJ。可是它的第一拐点频率达2.66MHz,第二拐点为48MHz,这么高的频率对于电子设备的正常运行是极大的挑战。
  
  幅值频谱分析表明许多浪涌呈现低频特征,即主要能量集中在频率较低的频段。但是由于非常低的能量就会引起集成电路的状态混乱或损坏,因此在浪涌波形中所含的高频能量,即使比例较低,也足以影响采用半导体技术的电路正常运行。事实上对采用集成电路技术的电子设备的损害,或误动大多都是由于浪涌能量造成的。通常认为集成电路装置的受损能量级为100mJ。
  
  低频能量可以通过硅二极管、压敏电阻、接地和控制环路面积进行消除,但高频能量必须通过滤波和屏蔽技术控制。
  
  分析显示大部分浪涌能量是低频。瞬态也存在高频问题,测试波形包含很大能量,在低频段很窄的频段内可含100mJ,从浪涌能量分析可以看出在显著高频区,残余能量也都大于100mJ。
  
  能量计算表明,对于快速上升时间的双指数曲线,大约50%以上的总能量存在于第一拐点以下,50%以下总能量存在于第一拐点频率以上,而大约1%的总能量包含在第二拐点频率以上。
  
  低压交流电源线上的浪涌是与过电压有联系的,但又不等同于过电压,因为浪涌既包括电压的瞬变,又包括电流的瞬变。同样道理抑制浪涌也不等同于过电压保护。过电压保护是线路和电气设备绝缘完好性的保障,而抑制浪涌是低压系统和电子设备可靠运行,及电磁兼容的保障。
  
  常用的浪涌抑制器件为气体放电管、氧化锌压敏电阻、瞬态电压抑制器、硅二极管等。它们工作原理不同,但它们有相似的伏安特性,即两端电压低于规定电压时,通过电流很小,而当两端电压高于规定电压后,通过电流会呈指数规律增长。这一伏安特性能使其同时满足抑制浪涌泻流和限幅的要求,因而也就成为抑制浪涌的主导器件。尤其是氧化锌压敏电阻,不仅限幅电压可以很低,导通电流也可以很大,价格又便宜,已经成为电气设计师首选的浪涌抑制器件。
  
  最近开发研究的各种纳秒级瞬态抑制器件,以及从前实际应用的大电流吸收能力的开关管,使得研制电力通信接口浪涌抑制器成为可能。目前浪涌抑制器根据使用场合不同具有不同的限流水平和泄流能力。浪涌抑制器的分类大致如下:
  
  (1)限幅型:氧化锌压敏电阻具有较高电能吸收能力和纳秒级响应时间,具有低限幅和快速反应能力的TVSs等。工作原理是稳压。这种原理工作的器件泻流能力较差,功率较小。
  
  (2)开关型:主要指气体放电管,它响应较慢,瞬态的发生可能快于它的响应时间。主要是根据短路原理把浪涌通过保护接地线返回,而防止进入通信设备。这种原理工作的器件续流问题,影响了其使用范围。
  
  (3)混合型:这主要是指MOV或TVS与开关管的联合使用,这种类型综合利用大功率器件与快速响应器件的优势,具有广阔的使用和开发前景,但是由于不具备频率选择功能,而不适应通信接口中使用。
  
  (4)正弦波跟踪型:这是一种新技术,它能跟踪交流正弦波,对通过其它保护装置上的微小尖峰和瞬态做出响应。它只对瞬态干扰进行分析而做出响应,是其中包括数据、信号、电话等通信中,实现浪涌抑制的理想选择,也是目前国内外有关专家努力研究的热点。

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