瞬态骚扰抑制器：最有效方法及常用器件

目前最有效的抑制瞬态骚扰的办法是采用瞬态骚扰抑制器将大部分能量转移到大地。常用的瞬态骚扰吸收器件有气体放电管（也称避雷管）、压敏电阻和瞬变电压吸收二极管。

1.气体放电管（避雷管）

气体放电管如图5-68所示，它是由金属电极和陶瓷管壳组成的密封气体放电器件，有二极和三极两种，可分别用在电源的线间和线-地之间作为设备的过电压保护。气体放电管的优点是：

1）具有很强的浪涌电流吸收能力，很高的绝缘电阻（＞104MΩ）和很小的寄生电容（<2pF）。

2）放电管采用金属化陶瓷绝缘管壳和电焊接技术，气密性较好。

3）大多数的气体放电管已被固化，体积较小。

4）对产品正常工作不会产生有害影响，但由于其响应时间较慢（约为≤100ns）。只适用于线路保护和产品的一次保护。

以二极放电管做差模保护为例来阐述气体放电管的电的工作原理。放电管与被保护设备并联于电源线上，即将二级气体放电管的两个电极分别接到被保护设备所在的电路中和大地。当要放电管电压低于击穿电压时，放电管没有电流通过，放电管不会影响设备的正常工作。当放电管两端的电压（由浪涌干扰所致）超过击穿电压时，管内气体被电离，放电管开始放电。随着放电的进行，放电管两端的压降迅速下降至辉光放电电压（约70～150V，取决于管子本身特性），管内电流开始升高。随着放电电流的增大，放电管进入弧光放电状态。放电管两端电压（弧光放电电压）跌得很低（一般只有10～35V，取决于管子本身特性），且在相当宽的电流范围内保持稳定。因此高电压浪涌干扰就被化解成低电压和大电流的受保护情况，免除干扰对设备带来的危害。随着浪涌过电压的消退，流过放电管的电流降到维持弧光放电所需的电流值以下（约为10～100mA，取决于管子本身特性），弧光放电停止，并再次通过辉光放电状态，结束整个放电状态。

图5-68 气体放电管

（1）气体放电管的主要特性参数

1）直流击穿电压：由上升速率的电压波来确定。

2）冲击（或浪涌）击穿电压：表征的是气体放电管的动态特性，用上升速率（也有采用5kV/μs）的电压波来确定。

3）标称冲击放电电流：指8/20μs波形的额定放电电流，放电10次。

4）标称交流放电电流：指通过频率为50Hz的交流电流的额定有效值，每次放电时间为1s，放电10次。

5）最大单次冲击放电电流：指对（8/20）μs波的单次最大放电电流值。

6）耐工频电流值：指连续经受9个周期的频率为50Hz的交流电流最大有效值。

7）绝缘电阻：指放电管未着火时的绝缘电阻值。对90V和150V的放电管测试电压用50U_dc；其余规格放电管的测试电压用100U_dc。要求放电管的绝缘电阻为1～10GΩ。

8）电容：指放电管电极间的电容，一般为2～10pF，是所有瞬变干扰吸收器件中最小的。

（2）气体放电管的主要应用场合

1）电源线或信号线入口处：这里是抑制来自汽车电子电气设备瞬时开关等的浪涌电压的第一级保护。该器件一般用在需要加强保护的地方，且不易老化，不易被发现。它主要用在交流电源线或电流受限的直流传输线处，限制浪涌电流流入。

2）射频发射机和接收机天线电缆上：这是为了保护敏感的射频电路不受到从天线馈线馈送来的闪电浪涌的破坏。由于气体放电管的电容较小，不能改变系统的阻抗特性，因此它非常适合用于高频传输线。

2.压敏电阻

压敏电阻又叫金属氧化物变阻器，因其价格便宜、规格众多、使用方便和效果明显等优点成为目前使用最多的瞬变干扰抑制器件。压敏电阻还经常与气体放电管、硅瞬变电压吸收二极管以及抗干扰铁氧体磁心等构成组合式的、功能完善的瞬变干扰吸收器件。图5-69所示为常见的压敏电阻的外形结构图。

压敏电阻是以氧化锌为主要成分，还掺有少量钴、锰、铋等其他金属的氧化物。其本体结构是被玻璃轴包裹的氧化锌颗粒，形成了许许多多的微型PN结，因此压敏电阻是多个PN结并联和串联在一起的电压敏感型箝位保护器件。压敏电阻的这种结构使得它的特性与两只背对背连接的硅稳压二极管非常相似，有着毫微秒级的响应速度，其响应时间小于50ns。压敏电阻对瞬变干扰的抑制是通过箝位方式来实现的。其工作原理如图5-70所示。当加在其两端的电压低于标称压敏电压时，其电阻为无穷大，而超过标称压敏电压值后，阻值便急剧下降。对线路有危害的这部分能量将被压敏电阻通过转化成热量的形式来吸收掉。只要压敏电阻有足够的功率额定值，将不会对压敏电阻以及被保护设备造成任何损害。

图5-69 常见的压敏电阻的外形结构

图5-70 压敏电阻工作原理

a）压敏电阻的伏安特性 b）压敏电阻对瞬变干扰的箝位作用

由于氧化锌颗粒是一种良好的导电材料，因此正常工作的压敏电阻温度较低，散热条件较好，过载能力也较高。压敏电阻对瞬变信号的吸收能力与压敏电阻的体积成正比：其厚度正比于电压；面积正比于电流；体积正比与容量。另外，压敏电阻玻璃层的介电常数决定了压敏电阻有较大的寄生电容，因此压敏电阻不适合应用于高频场合。

（1）压敏电阻主要的参数(www.xing528.com)

1）压敏电压：指恒流条件下出现在压敏电阻两端的压降，对直径为5mm的管芯，测试电流为100μA；对大于5mm的管芯，测试电流为1mA。

2）残余电压：指压敏电阻在通过规定波形（常为8/20μs）的浪涌电流时，在其两端出现的峰值电压。

3）残压比：压敏电阻的残余电压通常与压敏电压是不相等的，两者之比称为残压比，大约为1.8～2.2（或更高），即压敏电阻有较大的动态内阻。

4）通流容量：是按规定时间间隔和次数，在压敏电阻上施加规定波形（常为8/20μs）的浪涌电流，且压敏电阻的压敏电压变化率保持在规定范围内，所能通过的最大电流峰值。

5）最大连续电压：指允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压有效值（或直流电压值）。压敏电阻在此电压下能正常冷却，不会发生热击穿。

（2）选择压敏电阻的注意事项 压敏电阻在接入被保护设备后，既不能影响设备的正常运行，又能有效地对设备实施保护。为此，除了根据压敏电阻的技术参数外，在实际选择是还要考虑以下几个问题：

1）压敏电压选择。考虑到压敏电阻实际的压敏电压与标称电压之间的偏差（应考虑为标称电压的1.1～1.2倍）、交流电路中电源电压可能的波动范围（应考虑为额定电压的1.4～1.5倍）、交流电压峰值和有效值之间的关系（应考虑1.4倍），应选用压敏电压为额定电压2.2～2.5倍的压敏电阻。在直流电路中，常选用压敏电压为直流电压额定值1.8～2倍的压敏电阻。

2）通流容量选择。压敏电阻通流容量的选择有两种方法：如果按照使用场合选择。则1kA（8/20μs电流波）的压敏电阻可用在晶闸管整流器的保护上，3kA的可用在电器设备的浪涌吸收上，5kA的可用在对雷击及电子设备的过电压吸收上，10kA的可用在对雷击的保护上；如果按照产品试验标准上规定的实验等级选择，则常用综合波（发生器开路输出时产生1.2/50μs的电压波；短路输出时产生8/20μs的电流波；发生器的内阻为2Ω）来在线考核设备对抗雷击浪涌干扰的能力。在4kV实验时，保护器吸收的最大电流可达2kA；在6kV实验时，吸收电流的最大值为3kA。由于在吸收同样大小的浪涌电流时，通流能力大的压敏电阻应当有相对较小的残余压降，同时也为了具有较大的保护裕度，因此在实际中应适当加大所选压敏电阻的通流容量。

3）固有寄生电容问题。压敏电阻有一个固有电容问题，根据外形尺寸和标称电压的不同，其值在数百至数千pF之间。压敏电阻的固有电容决定了它不适合在高频场合使用，否则会影响系统的正常运行。压敏电阻比较适合在工频系统里使用，如用作电源进线的保护、晶闸管整流器的保护等。

3.硅瞬变电压吸收二极管（TVS）

硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应速度（小于1ns）和比较高的浪涌电流吸收能力，可用于保护设备或电路，甚至集成电路、MOS器件、混合电路和其他对电压敏感的半导体器件免受静电、电感性负载切换以及感应雷击等所产生的瞬变过电压。常见的硅瞬变电压吸收二极管如图5-71所示。

硅瞬变电压吸收二极管与常用的半导体稳压二极管工作原理一样，都具有限压功能，但后者常被用在调节稳态电压和小电流箝位中，没有特别强调对暂态脉冲的吸收。硅瞬变电压吸收二极管则是专门用于抑制暂态过电压。与稳压管相比，它有着更为优越的保护特性，为此，硅瞬变电压吸收二极管有如下特点：

1）有较大的面积，通流能力较强。

图5-71 常见的硅瞬变电压吸收二极管

2）管内有特殊材料（钼或钨）制成的散热片，散热条件较好，有利于管子吸收较大的暂态功率。

3）由于结面积增大了，所以其寄生电容也相应增大，其值可达到几百甚至数千皮法，使它在高频下的使用受到限制。

（1）硅瞬变电压吸收二极管的主要参数

1）额定直流持续工作电压U_WM：在额定的工作温度内，只要外施电压不超过此值，TVS绝对不会转为导通或微通状态。实用中所选器件的这一参数必须大于或等于被保护线路的最大工作电压。

2）最小击穿电压U_BR（min）：在规定的恒流测试电流I_T下，所测得的管子两端的最小电压。

3）最大箝位电压U_C：指管子通过额定峰值为10/1000μs的电流波时，在管子两端出现的峰值电压的最大值。

4）峰值脉冲电流I_pp：测试管子特性所使用的10/1000μs峰值电流波。

5）峰值脉冲功率P_p：在额定的10/1000μs峰值电流波下，管子两端的最大箝位电压与管子通过电流峰值的乘积。

6）漏电流I_D：在管子两端施逆向电压U_WM时，所测到的管子通过电流。

7）测试电流I_T：用来测试管子反向击穿电压的直流恒流电流，在多数情况下的I_T为1mA。

8）顺向压降U_F：只有单极性器件有此数据。一般以额定的正弦波电流通过半个周波时的压降表示，U_F＜3.5V。

9）结电容C₀：结电容由TVS的结面积决定，并在特定的偏置电压及特定的频率（通常是1MHz）下测得。

（2）各种瞬变骚扰吸收器的性能比较 其比较见表5-10。

表5-10 各种瞬变骚扰吸收器的性能比较