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1、二 防雷 元件和设备内容提要（一）气体放电管（二）晶闸管（固体放电管）（三）压敏电阻（四）瞬态二极管（五）直击雷防护装置2.1 气体放电管2.1.1气体放电管的定义一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压气体放电介质的、密封于一个或一个以上放电间隙中的短路型保护器件，一般分两电极和三电极两种结构 。其作用是用以保护设备和设备操作人员免遭高 电压冲击的过电压保护元件。密闭气室内的放电介质：填充气体为 惰性气体（氩、氖等）；或其他气体（氢等）。2.1.2放电管的结构简介 1) 电功率金属陶瓷放电管2）中功率放电管由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管 体等主要部件构成。与二极放电管不同，在三极放电管 中
2、增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三电极，即接地电极 。 它具有较好的放电对称性，可适合于多线路的保护。2.1.3气体放电管的工作原理与伏安特性1）工作原理：从气体放电电压电流测量模型图看气体放电管的工作原理与伏安特性。气体放电电压电流特性曲线气体放电管的点火电压（1）与气体的压力和电极间的距离具有函数关系，（2）与气体的成分比例，电极材料（包括涂敷处理）,电极形状（包括曲率半径、光洁度），外加电压波形（包括直流、交流、频率、脉冲）和照射等因素有着密切关系。因此，控制上述各种影响气体放电广点火电压的因素，就可以制作各种规格的放电管系列产品。 2）伏 安特性 左图 是直流V -A特性 。 测试 电路如
3、 下：放电管工作实质：电极被 高压击穿。由高阻变为 导通（0电阻-导通状态 ）。高压移走后，又由低电阻 恢复到高电阻（自动恢复 到非导通状态） 3）伏-秒特性 4）气体放电管的分类与结构（1）根据放电管的管体材料（a）玻璃放电管（b）金属陶瓷放电管具有优越的性能，广泛应用于铁路信号设备的雷电防护。（2）根据气体放电管的结构（a）二极放电管：由纯铁电极、镍铬钴合金管帽、银铜焊帽和陶瓷管构成（b）三极放电管：另外增加一个镍铬钴合金圆筒作接地电极5) 气体放电管的特点体积小、功率（通流容量）大、使用寿命长、冲击放电延时短、绝缘电阻高、极间电容很小、遮光性能好、受环境影响小等等。陶瓷三极放电管还具有良
4、好的对称性，克服了二极放电管由于线-地间点火时刻和遮断时间的不一致所造成的线间电压。提高了对设备的防护效果。 2.1.4放电管的用途 利用开关特性，是通信系统、铁路信号 系统、计算机数据系统以及各种电子设备的 外部电缆、电子仪器的瞬时过压的保护元件 。将电流泄放，电压限制到希望的水平。传输 线路BAG被 保 护 设 备传输 线路BAG被 保 护 设 备G1G2G典型二极放电管的保护电路典型三极放电管的保护电路2.1.5 放电管的主要技术参数 击穿：放电管的间隙在一定 电压作用下,管内气体被电离,从 高阻抗绝缘状态瞬变到低阻抗导 通状态,亦称“点火”。 击穿电压：在放电管极间施 加的致使放电管放
5、电间隙开始发 生击穿时刻的电压。 直流击穿电压：在放电管极间施加缓慢上升的致使放电管放电间隙发生击穿时刻的直流电压，亦称直流点火电压。 标称直流击穿电压：放电管直流击穿电压的 额定值，由制造厂家给定。 冲击击穿电压：对放电管施加一定上升速率的单次冲击电压，致使放电管击穿时刻的电压值。 横向电压：具有一个以上间隙的气体放电管，当放电电流通过时，出现在连接通信回路的电极间电压。 过保持电压：在特定电路条件下，放电管经冲击放电后，出现在连接通信回路的电极间的电压。 续流遮断时间：在特定电路条件下，放电管经冲击放电后，从低阻抗导通状态恢复到高阻抗绝缘状态所需要的时间。 放电电流：放电管击穿后通过放电间
6、隙的电流。 交流放电电流：通过放电管放电间隙的交流电流（有效值）。 标称电流：标称电流是放电管交流放电电流的额定值。 冲击放电电流（通流容量） ：通过放电管的冲击电流峰值。 绝缘电阻和极间电容 2.1.6放电管的缺点（1） 2极放电管用于纵向防护的不平衡在共模过电压u作用下，两个 放电管G1和G2的动作特性不能保证完全一样，两者之间必然存在着一 定的放电分散性，这就使得G1 和G2 不能保持在同一时刻放电。（2）放电管的续流a. 续流的产生放电管在外加冲击电压作用下，当放电管被击穿后，随同放电电流通过的过程及随后，放电管还流过来自电源或回路的工作电流，称为放电管的续流。二极放电管续流示意图三极
7、放电管续流示意图A 续流的危害影响放电管电极间绝缘的恢复，产生过热负荷，缩短放电管使用寿命，最终导致放电管损坏。B. 防止续流的措施在电源或设备的回路接入电阻，或者在放电管的分路接入非线形电阻器，以保证其能够可靠地灭弧。2.1.7 标称电压和耐流能力的选择1） 直流点火电压标称值的选择保证可靠地避免放电管在没有外界过电压侵入时不应由于回路的工作电压而造成放电管的频繁地工作。 直流工作回路：依据经验公式 交流工作回路：在上面两个公式中：a为工作回路电压 波动系数上限值，一般取1.15；b为 安全系数，一般取1.25；c为放电管直流点 火电压标称值的允许偏差的下限值，一 般取0.85或0.80。一
8、般：V标称 1.8Vc （直流回路）；V标称 2.54Vrms （交流回路）。2）放电管耐流能力的选择应考虑：大气中雷电放电感 应所引起的冲击电流幅值；电力 线的感应所引起的交流电流有效 值。一般情况下：电源为10kA、20kA和 40kA；通信为3kA、5kA。2.1.8 放电管技术指标测试 1） 直流点火电压测试电路：2）冲击点火电压测试冲击源（1kV/s） 斜角波示波器3）冲击耐流测试冲击源（8/20s） 电流波2.2固体放电管（晶闸管）固体放电管是一种过压 保护器件，是利用晶闸管原理 制成的，依靠PN结的击穿电流 触发器件导通放电，可以流过 很大的浪涌电流或脉冲电流。 其击穿电压的范围
9、，构成了过 压保护的范围，固体放电管使 用时可直接跨接在被保护电路 两端。 固体放电管是一种双向两端半导体器件，其内部结构与双向晶闸管十分相似，但没有触发门，是电压自触发器件。（类似可控硅器件）2.2.1 固体放电管的结构2.2.2 固体放电管的工作原理固体放电管抑制过电压一般靠的是它的击穿电压电平箝位作用。在伏安特性曲线中可以看出，当外加电压低于VDRM时，器件处于短开状态，使被保护设备正常工作；当外加电压高于VS（击穿电流升至Is值）时，固体放电管迅速进入导通状态，这时近乎短路，通过很大的浪涌电流或脉冲电流，将起到快速消除浪涌、保护设备的作用；当外加电压恢复正常后，电流能很快下降到低于维持
10、电流IH，放电管自然地回到断开状态。1）固体放电管的电压电流特性（V-I 特性）2.2.3 固体放电管的电参数定义 开关转换电压(VS)：在转换到通态之前的最大电压 峰值断态电压(VDRM)：维护断态允许施加的最大电压 通态电压(VT)：在 “通态” 电流时测量的最大电压 通态电流(IT)：最大速率连续通态的电流 开关转换电流(IS)：转换到通态所需的最大电流 泄漏电流(IDRM)：在VDRM时测出的最大峰值断态电流 通态电容(C0)：断态时测量的典型电容值(30-100pF) 保持电流(IH)：维持通态所需的最小电流 峰值脉冲电流(IPP)：最大速率的峰值脉冲电流2.2.4 固体放电管的特点
11、 可控硅结构，性能优越于气体放电管、压敏电 阻及TVS二极管； 雷电及瞬间过电压防护，无限重复，响应时间 快速（1ns） 启动电压范围5V 550V，瞬间冲击电流可达 50A 3000A； 无极性、双向浪涌保护、对浪涌有良好的吸收 性。2.2.5固体放电管的选择固体放电管的选择标准主要是以下几个关键参数：1. 峰值断态电压（VDRM）必须大于被保护电路的最大工作电压。2. 开关电压（ VS ）必须小于被保护设备所允许的瞬间峰值电压。3. 峰值脉冲电流（ IPP ）必须大于通讯设备标准的规定值。4. 断态电容（ CO ）5. 维持电流（ IH ）- 脉冲过后，通过固放管的电流必须 小于维持电流，
12、以保证其恢复到断态。2.3.6固体放电管的应用固体放电管被广泛应用在用户终端设备、数据传输设备、模拟线路卡接口、交换机系统、有线电视设备及数据线保护等方面。目前在我们的防雷系列产品中也是一种应用较为普及的防雷元器件（后面防护电路中讲到）。2.3 压敏电阻压敏电阻是中国大陆的名词，意思 是“在一定电流电压范围内电阻值随电 压而变的电阻”或者是说“电阻值对电 压敏感的阻器”。英文名称叫“Voltage DependentResistor”简写为“VDR”， 有碳化硅 、氧化锌等,其中氧化锌是金属氧化物 变阻器,英文名为MOV （Metal oxide varistor ) 。2.3.1 氧化锌压敏
13、电阻微观结构及特性MOV:氧化锌压敏电阻器 ：以氧化锌为主料，添加多 种其他微量元素（如锰、镍 等的氧化 物）做成的陶瓷 片，用陶瓷工艺制成的化合 物半导体元件（非线性电阻 元件）。压敏电阻阀片的微观结构如右图所示。 氧化锌陶瓷是由氧化 锌晶粒及晶界物质组 成的，其中氧化锌晶 粒中掺有施主杂质而呈N型半导体，晶界 物质中含有大量金属 氧化物形成大量界面 态，这样每一微观单 元是一个背靠背肖特 基势垒，整个陶瓷就是由许多背靠背肖特 基垫垒串并联的组合 体。 电压在压敏电阻阀片中的传导机理氧化锌压敏电阻器等效电路及特性曲线 它的基本特性是电流电压关系的非线性。当加在它两端的电压低于某个阈值电压，即
14、“压敏电压”时，它的电阻值极大，为兆欧级；而当加在它两端的电压超过压敏电压后，电阻值随电压的增高急速下降，可小到欧姆级、毫欧姆级。 2.3.2 氧化锌压敏电阻工作原理1) 预击穿区：在此区域内，施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压，其导电属于热激发电子电导机理。因此，压敏电阻器相当于一个10M以上的绝缘电阻，这时通过压敏电阻器的阻性电流仅为微安级，可看作为开路。该区域是电路正常运行时压敏电阻器所处的状态。 2)击穿区：压敏电阻器两端施加一大于压敏电压的过电压时，其导电属于隧道击穿电子电导机理 ，其伏安特性呈优异的非线性电导特性，即：其中：I是通过压敏电阻器的电流；C是与配方和工艺有关的常数
15、；V是压敏电阻器两端的电压；为非线性系数，一般大于30； 在击穿区，压敏电阻器端电压的微小变化就可引起电流的急剧变化 3)上升区： 当过电压很大，使得通过压敏电阻器的 电流大于约100A/cm2时，压敏电阻器的 伏安特性主要由晶粒电阻的伏安特性来决 定。此时压敏电阻器的伏安特性呈线性电 导特性，即： I=V/RgRg是压敏电阻的电阻 ,I为流过压敏电阻的电流，V是 压敏电阻的端电压上升区电流与电压几乎呈线性关系，压敏电阻器在该区域已经劣化，失去了其抑制过电压、吸收或释放浪涌的能量等特性。根据压敏电阻器的导电机理，其对过电压的响应速度很快，如带引线式和专用电极产品，一般响应时间小于25纳秒。因此
16、只要选择和使用得当，压敏电阻器对线路中出现的瞬态过电压有优良的抑制作用，从而达到保护电路中其它元件免遭过电压破坏的目的。 2.3.3 压敏电阻的温度特性氧化锌压敏电阻器在不同温度条件下的V-I 特性曲线图中可见，随着温度的升高，击穿区被压缩，因此，只有很窄的区域有防雷作用，同时由于温度增高，压敏电阻漏电流急剧增大，使压敏电阻劣化烧毁。 从压敏电阻伏安特性曲线看， 在大电流区，压敏电阻的防雷性能已经下降了很多。 2.3.4 氧化锌压敏电阻器电参数1. 压敏电压 varistor voltage 在规定温度和直流参考电流（一般为 1mA或0.1mA）下测得的MOV两端的电压值 ，也称为直流参考电压，记为V1mA或V0.1mA。 2.直流漏电流 dc leakage current ILd在规定温度和规定的直流电压下测得的 流过MOV的电流值。除非另有规定，测试电 压值为0.75 Un。 3.交流漏电流 ac
