如何選擇并應用防雷元件（三）

（4） 穩(wěn)態(tài)（齊納）管和開關二極管。他們均屬于半導體元件，因其動作速度快（納妙級），限幅電壓很低，是電子設備中“細”保護*的元件，靠其伏安特性的箝位作用而達到限幅保護的目的。耐流能力低是其突出的缺點。

　　穩(wěn)壓管利用它反偏電壓超過規(guī)定值（如圖7所示U2）時而進入導通狀態(tài)，流經(jīng)管子的電流迅速增加，從高阻狀態(tài)旋即進入滑線變阻器低阻狀態(tài)。管子兩端的電壓變化很少，箝位在所要求的電壓上。如果將兩個穩(wěn)壓管反極性串聯(lián)在一起，就能達到以正、反向限幅保護的目的（如圖7所示）。不過，硅管比鍺管能耐受更大的功率，故保護多使用擴散結硅穩(wěn)定管，市場出售的2CW系列管，可提供從幾伏至上百伏的限幅保護。正向使用則可實現(xiàn)0.7V的極低限幅電壓的保護值。

　　硅開關二極管與齊納不同，其方向特性在擊穿之后不能恢復。所以，主要利用正向特性進行極低電壓的保護，限幅電壓也為0.7V。當然，若用n個管子串聯(lián)，可得0.7nV的限幅值。常用的國產(chǎn)管有2CK114或2CK115等。

　?。?） 正溫度系數(shù)熱敏電阻器。這是一種電阻值隨溫度增加而增加的非線性元件，主要起限流作用。當受外來的過指針高壓兆歐表電流（非雷擊）影響時，規(guī)定的短時間內電阻值急劇增加，從而限制回路上的過電流（如工頻）在允許的范圍內，保證了設備的安全。但他對雷電的反應很遲鈍，不起防雷電（過電流）作用，只是很多保護電路上都有使用，便在此略提一下。

　　針對上述的幾種保護元件的特性，現(xiàn)做一粗略的比較，如表1所示，以供參考。 性能 保護元件 響應時間 耐流能力 殘壓 電容 使用范圍 備注 氣體放電管 zui慢 zui強 zui高 zui小 *、二級保護 壓敏電阻 較快 強 較高 zui小 *、二級保護 瞬態(tài)二極管 快 較強 低 較大 第二或*級保護 作*級保護時應慎用 穩(wěn)壓管 快 弱 更低 較大 第二、第三級保護 開關二極管 zui快 zui弱 zui低 小 第三、四級保護 （表1 幾種保護元件特性的比較）

　　4. 保護元件的選擇

　　選擇保護元件主要考慮以下幾點。

　?。?） 首先應確定保護元件的靜態(tài)工作范圍，據(jù)此選取合適的標稱值。如氣體放電管的標稱直流擊穿電壓、壓敏電阻的壓敏電壓值、瞬態(tài)二極管的不動作電壓值和穩(wěn)態(tài)管的穩(wěn)壓值等。這些標稱值應高于該電路扁平橡套軟電纜可能出現(xiàn)的zui高穩(wěn)態(tài)電壓值（供電電壓、信號峰值電壓等的疊加值）。至于開關二極管很多是以兩只管反向并聯(lián)使用，獲得雙向保護[如圖a8所示]，這時，a、b線間的穩(wěn)態(tài)電壓值必須小于0.7V（并留有余量），否則會影響電路的正常工作。若這時不能滿足要求，可以如圖8（b）所示的方法獲得0.7nV的電壓值。而穩(wěn)壓管亦可采用此方法，甚至必要時穩(wěn)壓管和開關管按需混串后再并聯(lián)使用。這樣可以獲得多種穩(wěn)態(tài)電壓值和不同的電容值。

　　（2） 保護元件本身固有電容值是否影響信號的傳輸，它對高頻電路（如天饋線輸入、人部分）中的保護元件尤為重要，氣體放電關在這方面有較大的優(yōu)勢，其電容值約5pF或更低。

　?。?） 保護遠見的殘壓無論何時都應低于被保護設備或電路的損壞電壓，還有一定的程度。氣體放電管一節(jié)中曾提到“伏秒特性”，其實每一種保護元件都有此特性，它能動態(tài)的反映保護效果。同樣，每一被保護設備或電路也有它們各自的“伏秒特性”，只不過它動態(tài)的反映地是其損壞值（安全值）。保護設計時這兩種伏秒特性要互相配合好。顯然，從保護角度來看，保護元件的伏秒特性任何時候都應在被保護對象的伏秒特性之下（如圖9所示），這是的保護是“”的、zui有效的。如圖10（a）所示中表示C點左邊為“保護區(qū)”，設備得以保護，而C點的右邊卻是設備（被保護的）反過來“保護”了保護元件，設備必遭損壞，為失去保護區(qū)，這與設計的初衷是相反的。

　　通常保護元件的數(shù)據(jù)僅提供沖擊波形前沿為某一上升速率下的殘壓值，也即是其伏秒特性中的某點，遠非其全部，這當然給保護設計帶來困難。所以，必要時應測出保護元件的伏秒特性。至于被保護對象超低頻高壓發(fā)生器的伏秒特性更是無從可得，非親自努力獲取不可，難度自然更大一些，如果能這樣，當時*選擇。倘若為了簡化工作，按個方面要求選好保護元件并安裝好，再用不同上升速率的或可能出現(xiàn)的沖擊波形進行模擬雷擊試驗，以檢驗保護效果能否達到預期的目的。

　?。?） 根據(jù)設備或電路的需要，選取有足夠耐流能力的保護元件。我們總希望有盡量多的沖擊電流（能量）通過它旁路，不進入設備內部，而其本身亦安全無恙。否則，被擊壞之后，若不能及時發(fā)現(xiàn)和更換，隨之而來的浪涌即會造成損壞。那么，如何確定需要的耐流能力？首先考慮環(huán)境條件、雷暴日數(shù)、雷電強弱以及損壞概率等。如果用于緊靠外線連接處，保護元件需承受如上推斷的zui大的沖擊（浪涌）電流。其次，要考慮被保護對象是與架空線路連接還是與埋地線路連接。例如，架空線上出現(xiàn)雷電流的概率，超過100kA的約占2%，若經(jīng)過線路或各種設施的衰減而達到設備時電流就小得多，考慮到電流值用不著達到100kA的水平，連接信號傳輸線路的情況亦如此。

　　我們一般將使用的環(huán)境劃分為非暴露環(huán)境和暴露環(huán)境，既非暴露環(huán)境指城市中心區(qū)和低暴露活動的地區(qū)，其間出現(xiàn)的過電壓極少超過保護遠見的殘壓；暴露環(huán)境之處非暴露環(huán)境外的其他區(qū)域、環(huán)境，也包括必須采取一切有效保護措施才能獲得滿意保護效果的特性環(huán)境，如市郊、新經(jīng)濟開發(fā)區(qū)及強雷暴活動地區(qū)等。一般而言，使用在非暴露環(huán)境的保護元件2.5~5kA的耐流能力應不會損壞，暴露環(huán)境則需要5~20kA甚至更高。

　　四、 保護元件的應用

　　1． 多級保護

　　2． 從上面的介紹可知，耐沖擊能力強的保護元件其殘壓較高，動作速度亦相對較慢，反之亦然。而從線路襲入的過電壓均具有較大的沖擊能量。所以，設置在緊靠外線側的保護元件*，應能承受產(chǎn)大能量的沖擊，因而用氣體放電管或壓敏電阻zui為適合。特殊情況下（如非暴露環(huán)境）也可用瞬態(tài)二極管。習慣上，這稱之為*級保護。由于經(jīng)*級保護后其殘壓人達數(shù)百伏甚至上千伏之高，尚足以擊壞其后的元（器）件，尤其像晶體管、集成電路之類的電路，故也俗稱為“粗”保護，很能突出這一保護級的特點。由此可見，*級保護之后還必須設置一些對雷電能迅速相應的、殘壓足夠低的保護元件（如壓敏電阻、穩(wěn)壓管、開關二極管等），稱為第二級保護。經(jīng)過第二級之后，殘壓依然較高，只有采用三級甚至四級以上的保護才足以把外來的過電壓限制到足夠低的水平上而達到預期的目的。第二（三）級之后的保護相應的稱為“細”保護。防雷技術上把這些通過“粗”、“細”保護結合起來逐級限幅的方法稱之為“多級保護”。“粗”、“細”保護的技術視具體需要而定。

　　3． 當進行多級保護設計時，注意的不能如圖11所示那樣簡單的把幾種具有不同耐流能力、響應速度元件并聯(lián)在一起，以為它必然按我們所希望的G1→G2→G3順序動作（放電、導通），實際上不一定如此。因為G3和G2的響應速度均高于G1，且其伏秒特性處于不同量極，G1zui高、G2次之、G3zui低。極可能出現(xiàn)G3先于G2動作（導通），G2先于G1動作（導通），或G2導通后G1不能放電。因而，巨大的沖擊能量僅有耐流能力較低的G2或G3單獨承擔，他們自然易遭損壞。如欲達到所希望的順序放電、導通的目的，應如圖12所示的方法連接，各保護元件間分別串接一個網(wǎng)絡（或元件），它可以是電阻、電容、電感或它們的組合網(wǎng)絡。我們稱之為保護級之間的“隔離”。如果“隔離”不夠，后繼的動作可能影響到前級而損壞耐流能力弱的保護元件或造成保護及之間的過流。

　　另外，還應注意的是，即使是用滑線指示燈兩個相同型號、規(guī)格的保護元件，假定每一個的耐沖擊電流能力為5kA（8/20μs），并聯(lián)之后的耐流能力不能視之為10kA（8/20μs）。因為這兩個保護元件的特性、響應時間等不盡相同，不會同時動作。若10kA的沖擊電流襲入，它們會先后損壞，失去保護功能。

　　2．增強保護效果的其他措施

　　當進行保護設計時，還可以采取如下措施以增強保護效果。

　?。?） 設備電路的接地良好。

　?。?） 利用增大電流負反饋來限制晶體管等的過流。

　　（3） 裝有如濾波器等頻率分手表式近電報警器割部件時，可在不影響電路正常工作的前提下，盡量提高高通濾波器的截頻或盡量降低低通濾波器的截頻，增大阻帶衰耗。

　?。?） 在不影響正常工作的條件下，電路中可串入近兩大的限流電阻和并聯(lián)電容器（容量盡量大），以限制其他過流河旁路過電流。

　?。?） 盡可能縮短保護元件的引線，直接裝在需要保護的電路上。

　　（6） 在易受浪涌沖擊的電路中應選用碳膜電阻，不要使用耐沖能力較差的金屬膜電阻。

　　（7） 高頻電路中使用穩(wěn)壓管作“細”保護時，應考慮其固有電容值對工作狀態(tài)的影響。由于其PN結電容量隨端電壓而改變，即反偏電壓越大，結電容量越小，令偏壓時則zui高（如圖13所示）。所以，可根據(jù)電路對電容的要求，給該穩(wěn)壓管加上一定的偏執(zhí)電壓。亦可用如表而敘述的一些方法達到地電容的保護目的。

　　3． 用的“細”保護電路

　　需要達到極低限幅電壓保護時，“細”保護電路可以由穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)或并聯(lián)，或用開關二極管構成各種保護電路，他們可按要求靈活組合，常用的幾種細保護方法如表2所示以供參考。表中序號1a電路利用Vce在穩(wěn)壓管2上形成的反偏，實現(xiàn)正、負兩個極性的限幅，正向沖擊的電力測試導線限幅電電壓為Vz。1b由兩個穩(wěn)壓管Z反串而得到雙向保護，它僅能適用于接入的電路點上無直流電壓的情況，限幅電壓為穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓Vz。序號2乃通過串聯(lián)高速開關二極管D獲得低級間電容的保護。序號3與1b相似，所不同的是用開關管反向并聯(lián)而達到雙向對稱保護目的，但其容量比1b小得多。通過改變串聯(lián)管子的個數(shù)n，獲得需要的限幅電壓值為單管正向壓降的n倍，電容量也各有不同。序號4的原理與1b相同，只因兩只穩(wěn)壓管加了反向偏壓，其總電容量比之1b低得多。序號5的電路是在序號4的原理基礎上串聯(lián)一個開關二極管D，這樣可以獲得更低的電容量，但這是需有另一條支路作相反極性的保護，兩條支路的限幅電壓均為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Vz。

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