通過6個實例電路分析，詳解雷擊浪涌的防護（二）

       共模信號是一個幅度為Up、寬度為τ的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測流過電感的電流為一寬度等于2τ的鋸齒波：

流過電感的電流為：

流過電感的*大電流為：

在2τ期間流過電感的平均電流為：

由此可以求得CY電容在2τ期間的電壓變化量為：

       上面公式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數的計算公式，式中，Uc為CY電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓，?Uc為CY電容兩端的電壓變化量，但由于雷電脈沖的周期很長，占空比很小，可以認為Uc = ?Uc，Up為共模浪涌脈沖的峰值，q為CY電容存儲的電荷，τ為共模浪涌脈沖的寬度，L為電感，C為電容。

        根據上面公式，假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數值為1H。顯然這個數值非常大，在實際中很難實現，所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限，此電路還需進一步改進。

       差模浪涌電壓抑制，主要是靠圖中的濾波電感L1、L2 ，和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數的選擇，同樣可以用下面公式來進行計算。

        但上式中的L應該等于L1和L2兩個濾波電感之和，C=CX，Uc等于差模抑制輸出電壓。一般，差模抑制輸出電壓應不大于600Vp，因為很多半導體器件和電容的*大耐壓都在此電壓附近，并且，經過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒有降低，因為經過濾波之后，脈沖寬度會增加，一旦器件被擊穿，大部分都無法恢復到原來的狀態。

      根據上面公式，假設浪涌峰值電壓Up=4000Vp，脈沖寬度為50uS，差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數值為14mH×uF。顯然，這個數值對于一般電子產品的浪涌抑制電路來說還是比較大的，相比之下，增加電感量要比增加電容量更有利，因此*好選用一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵芯，電感量相對較大（大于20mH）的電感作為浪涌電感，這種電感共模和差模電感量都很大，并且不容易飽和。 順便指出，整流電路后面的電解濾波電容，同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能，如果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就不能選600Vp，而只能選為電容器的*高耐壓Ur（400Vp）。

4、雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件 

      避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體閘流管（TVS）、浪涌抑制電感線圈、X類浪涌抑制電容等，各種器件要組合使用。

      氣體放電管的種類很多，放電電流一般都很大，可達數十kA，放電電壓比較高，放電管從點火到放電需要一定的時間，并且存在殘存電壓，性能不太穩定；氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好，但受功率的限制，電流相對比放電管小，多次被雷電過流擊穿后，擊穿電壓值會下降，甚至會失效；

       半導體TVS管伏安特性*好，但功率一般都很小，成本比較高；浪涌抑制線圈是*基本的防雷器件，為防流過電網交流電飽和，必須選用三窗口鐵芯；X電容也是必須的，要選用容許紋波電流較大的電容。

氣體放電管

      氣體放電管指作過電壓保護用的避雷管或天線開關管一類，管內有二個或多個電極，充有一定量的惰性氣體。氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件，它用在通信系統的防雷保護。

      放電管的工作原理是氣體間隙放電i當放電管兩極之間施加一定電壓時，便在極間產生不均勻電場：在此電場作用下，管內氣體開始游離，當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩極之間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平，這種殘壓一般很低，從而使得與放電管并聯的電子設備免受過電壓的損壞。

      氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼．也有的用陶瓷作為封裝外殼，放電管內充入電氣性能穩定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），常用放電管的放電電極一般為兩個、三個，電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數的設置來劃分，放電管可分為二極、三極放電管。

      陶瓷二極放電管由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構成。管內放電電極上涂覆有放射性氧化物，管體內壁也涂覆有放射性元素，用于改善放電特性。

       放電電極主要有桿形和杯形兩種結構，在桿形電極的放電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻，不致出現局部過熱而引起管斷裂。熱屏內也涂覆放射性氧化物，以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中，杯口處裝有鉬網，杯內裝有銫元素，其作用也是減小放電分散性。

       三極放電管也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等部件構成。與二極放電管不同，在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三極，即接地電極。

主要參數：

（1）直流擊穿電壓。此值由施加一個低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓值來決定。

（2）沖擊（或浪涌）擊穿電壓。它代表放電管的動態特性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來決定。

（3）標稱沖擊放電電流。8/20us波形（前沿8us，半峰持續時間20us）的額定放電電流，通常放電10次。

（4）標準放電電流。通過50Hz交流電流的額定有效值，規定每次放電的時間為1s，放電10次。

（5）*大單次沖擊放電電流。對8/20us電流波的單次*大放電電流。

（6）耐工頻電流值。對8/20us電流波的單次*大放電電流。對50Hz交流電，能經受連續9個周波的*大電流的有效值。

（7）絕緣電阻。對8/20us電流波的單次*大放電電流。對50Hz交流電，能經受連續9個周波的*大電流的有效值。

（8）電容。放電管電極間的電容，一般在2～10pF之間，是所有瞬變干擾吸收器件中*小的。

金屬氧化物壓敏電阻

壓敏電阻一般都是以氧化鋅為主要成分，另加少量的其它金屬氧化物（顆粒），如：鈷、猛、鉍等壓制而成。由于兩種不同性質的物體組合在一起，相當于一個PN結（二極管），因此，壓敏電阻相當于眾多的PN結串、并聯組成。

5、超高浪涌電壓抑制電路 

實例1

上圖是一個可抗擊較強雷電浪涌脈沖電壓的電原理圖，圖中：G1、G2為氣體放電管，主要用于對高壓共模浪涌脈沖抑制，對高壓差模浪涌脈沖也同樣具有抑制能力；VR為壓敏電阻，主要用于對高壓差模浪涌脈沖抑制。經過G1、G2和VR抑制后，共模和差模浪涌脈沖的幅度和能量均大幅度降低。

G1、G2的擊穿電壓可選1000Vp~3000Vp，VR的壓敏電壓一般取工頻電壓*大值的1.7倍。

G1、G2擊穿后會產生后續電流，一定要加保險絲以防后續電流過大使線路短路。

實例2

增加了兩個壓敏電阻VR1、VR2和一個放電管G3，主要目的是加強對共模浪涌電壓的抑制，由于壓敏電阻有漏電流，而一般電子產品都對漏電流要求很嚴格（小于0.7mAp），所以圖中加了一個放電管G3，使平時電路對地的漏電流等于0。G3的擊穿電壓要遠小于G1、G2的擊穿電壓，采用G3對漏電隔離后，壓敏電阻VR1或VR2的擊穿電壓可相應選得比較低，VR1、VR2對差模浪涌電壓也有很強的抑制作用。

實例3

G1是一個三端放電管，它相當于把兩個二端放電管安裝在一個殼體中，用它可以代替上面兩個實例中的G1、G2放電管。除了二端、三端放電管之外，放電管還有四端、五端的，各放電管的用途也不完全相同。

實例4

增加了兩個壓敏電阻（VR1、VR2），主要目的是為了隔斷G1擊穿后產生的后續電流，以防后續電流過大使輸入電路短路，但由于VR1、VR2的*大峰值電流一般只有G1的幾十分之一，所以，本實例對超高浪涌電壓的抑制能力相對實例3要的抑制能力差很多。

實例5 直接在PCB板上制作避雷裝置

在PCB板上直接制作放電避雷裝置，可以代替防雷放電管，可以抑制數萬伏共模或差模浪涌電壓沖擊，避雷裝置電極之間距離一般要求比較嚴格，輸入電壓為AC110V時，電極之間距離可選4.5mm，輸入電壓為AC220V時，可選6mm；避雷裝置的中間電極一定要接到三端電源線與PCB板連接的端口上。

實例6 PCB板氣隙放電裝置代替放電管

在PCB板上直接制作氣隙放電裝置，正常放電電壓為每毫米1000~1500V，4.5mm爬電距離的放電電壓大約為4500~6800Vp，6mm爬電距離的放電電壓大約為6000~9000Vp。

6、各種防雷器件的連接 

避雷器件的安裝順序不能搞錯，放電管必須在*前面，其次是浪涌抑制電感和壓敏電阻（或放電管），再其次才是半導體TVS閘流管或X類電容及Y類電容。