發(fā)射臺(tái)站防雷電路中的元器件分析

季小偉+++章文亮

摘 要：文章闡述了發(fā)射臺(tái)站防雷電路中各類防雷元器件的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用情況，為更好地維護(hù)防雷系統(tǒng)提高一些技術(shù)層面的依據(jù)，從而使防雷系統(tǒng)發(fā)揮有效作用，保護(hù)發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備，防止雷擊對人身安全和設(shè)備安全造成危害。

關(guān)鍵詞：氣體放電管；壓敏電阻；TVS；TSS；Y電容

1 氣體放電管

氣體放電管是一種開關(guān)型保護(hù)器件（如圖1所示），采用密閉封裝，內(nèi)部有兩個(gè)或數(shù)個(gè)帶間隙的金屬電極，其間充滿惰性氣體（氬氣或氖氣）。當(dāng)電極兩端電壓超過規(guī)定值時(shí)，氣體放電管內(nèi)的氣體被擊穿導(dǎo)電，氣體放電管由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，進(jìn)行過電流的泄放。同時(shí)使兩極間電壓維持在20～50V，以此來保護(hù)后級電路。

防雷設(shè)計(jì)中，氣體放電管使用時(shí)主要考慮的參數(shù)有：直流擊穿電壓、通流容量、沖擊擊穿電壓等。在普通交流線路上使用氣體放電管防雷時(shí)，要求保證在正常工作波動(dòng)范圍內(nèi)，放電管不能被擊穿，即要求當(dāng)Up為正常運(yùn)行時(shí)線路電壓峰值時(shí)，直流放電電壓范圍應(yīng)為：min（Ufdc）≥1.8Up。其中Ufdc為直流擊穿電壓，min（Ufdc）為直流擊穿電壓最小值。

在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，氣體放電管常被用于以下幾個(gè)地方：一是低壓交流電源三相四線各路對地的保護(hù)；二是電子管各極偏壓或功率模塊整流輸出的直流電壓的接地保護(hù)；三是系統(tǒng)各控制信號和檢測信號回路對地的保護(hù)；四是天饋線內(nèi)層芯線對外層地線的保護(hù)。氣體放電管大多數(shù)的失效情況為開路，極少數(shù)情況下會(huì)出現(xiàn)短路的失效模式。氣體放電管主要短板在于使用壽命相對比較短，經(jīng)多次沖擊后性能下降明顯。因此要在檢修維護(hù)中定期對氣體放電管進(jìn)行檢測，特別是經(jīng)過雷雨天氣后，長期使用的要更換。

2 壓敏電阻

壓敏電阻屬于常用的限壓型保護(hù)器件（如圖2所示）。壓敏電阻的電壓與電阻成非線性關(guān)系，當(dāng)壓敏電阻的兩端出現(xiàn)過電壓時(shí)，它將接近短路并將兩端電壓鉗位到一個(gè)相對較小的值，以此避免過電壓對后級電路的破壞。在使用壓敏電阻時(shí)，我們注意考慮的參數(shù)是：壓敏電壓、通流容量、響應(yīng)時(shí)間、結(jié)電容等。

壓敏電阻一般可用于電子電路中的過電壓保護(hù)，其響應(yīng)時(shí)間小于空氣放電管，但大于TVS管，為ns級，滿足電子線路響應(yīng)速度快的要求。其結(jié)電容一般在幾百到幾千nF，漏電流較大，因此壓敏電阻不能直接用于對高頻信號線路的過電壓保護(hù)。

我們在采用壓敏電阻設(shè)計(jì)防雷電路時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮其壓敏電壓min（U1mA）和通流容量。在直流電路中，要求壓敏電壓大于2倍直流工作電壓。在交流電路中，壓敏電壓大于2.5倍交流工作電壓。這個(gè)取值在保證壓敏電阻正常工作時(shí)，還能有適當(dāng)?shù)母挥嗔?。在信號電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)壓敏電壓一般大于1.5倍信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量小于氣體放電管，一般不用于大電流電路?？筛鶕?jù)防雷設(shè)計(jì)要求來決定壓敏電阻的通流容量。通常選用的壓敏電阻通流值大于電路設(shè)計(jì)要求的最大通流量，且至少能經(jīng)受兩次電流沖擊不損壞。

壓敏電阻主要是短路失效模式。但若是流經(jīng)的過電流過大時(shí)，也可能造成閥片炸裂損壞而開路。壓敏電阻經(jīng)多次過電壓沖擊后，性能下降明顯，因此其使用壽命縮短，需定期檢測，定期更換。

在發(fā)射機(jī)的低壓整流濾波電路中，經(jīng)常使用壓敏電阻對輸入電源進(jìn)行保護(hù)。

3 電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管（TVS）

限壓保護(hù)器件類還包括電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管TVS（如圖3所示），它的電壓與電阻關(guān)系也具有非線性特性，當(dāng)其工作時(shí)，會(huì)鉗位過電壓到一個(gè)接近0V的值，以實(shí)現(xiàn)對電路的保護(hù)。主要性能參數(shù)有：最大鉗位電壓、反向擊穿電壓、響應(yīng)時(shí)間等。

TVS管的非線性特性更適合過電壓保護(hù)，當(dāng)加在TVS管上的過電壓增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比較慢，獲得的殘壓輸出更理想。因此在對信號要求較高的控制和檢測回路中，一般選擇使用TVS管。同時(shí)由于TVS管有在所有限壓型浪涌保護(hù)器件最小的的通流容量，它一般更多的用在最末級的精細(xì)保護(hù)。同樣因?yàn)檫@個(gè)原因，其一般不用于交流電源的保護(hù)。而在功率模塊或直流偏壓等直流電源中使用TVS管保護(hù)時(shí)，一般都需要同壓敏電阻等通流量大的器件配合使用，這樣才可以滿足較大功率輸出。TVS管具有較好的集成性，適合在單板上使用。

TVS管可以進(jìn)行單向或者雙向保護(hù)。在直流電路和單極性的信號電路中，一般采用單向TVS管，其輸出的殘壓比壓敏電阻低50%以上。

防雷設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮TVS的通流容量和反向擊穿電壓。在直流回路中，有min（U1mA）≥（1.8～2）Udc。在信號回路中，有min（U1mA）≥（1.2～1.5）Umax。

在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，TVS管常見于直流偏壓電源、控制信號線路和天饋線路等的防雷保護(hù)中。其主要工作模式是短路鉗位。但TVS管也可能因過電流太大，導(dǎo)致炸裂而開路。相比于壓敏電阻，TVS管擁有相對較長的使用壽命。

4 電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管（TSS）

與TVS相同，電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管TSS（如圖4所示），也是采用半導(dǎo)體工藝的限壓保護(hù)類器件，其工作原理為與TVS也一致。不同的是，當(dāng)TSS管兩端的過電壓大于TSS管的擊穿電壓而近似短路時(shí)，這種短路狀態(tài)可以持續(xù)保持，直到流經(jīng)的過電流小于擊穿電流，然后TSS管重新恢復(fù)到開路狀態(tài)。因此設(shè)計(jì)采用TSS管的信號線路中，線路的工作電流必須小于TSS管的臨界恢復(fù)電流，否則將出現(xiàn)信號失真。

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮TSS的擊穿電壓和通流容量。在信號回路當(dāng)中，有：min（U1mA）≥（1.2～1.5）Umax。TSS管一般用于信號線路防雷保護(hù)，其失效模式主要是短路，但當(dāng)過電流過大，也可能導(dǎo)致炸裂而開路，使用壽命相對較長。

5 電感、導(dǎo)線

前面已經(jīng)討論了四種防護(hù)器件的相關(guān)參數(shù)特性，它們各有其優(yōu)點(diǎn)和不足。而要使設(shè)計(jì)的防護(hù)電路，滿足整體功率較大、保護(hù)全面等要求時(shí)，單一的防護(hù)器件很難做到，一般采用幾種防護(hù)器件的組合設(shè)計(jì)，使各個(gè)器件發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，避免各自缺點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)符合要求的保護(hù)特性。在使用幾種防護(hù)器件時(shí)，通常還配合使用電阻、電感、導(dǎo)線等元件。

在串聯(lián)式直流電源中，要求線路上壓降不能過大，因此在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)，可以采用空芯電感，配合極間電路。當(dāng)防護(hù)電路前級滿足設(shè)計(jì)通流量時(shí)（即大于TVS管的通流量），TVS上的過電流必須要小于TVS管的最大通流量，此時(shí)可以通過電感來提供足夠的限流能力。

當(dāng)在有些滿負(fù)荷工作電流很大（超過30A時(shí)）的交直流設(shè)備中極間配合使用電感，會(huì)出現(xiàn)體積過大的問題。此時(shí)可以把防護(hù)電路分為前級和后級兩個(gè)部分，分別設(shè)計(jì)在兩塊電路板上，兩者之間用規(guī)定長度的導(dǎo)線來做連接，它所起的作用與電感類似，1米長的導(dǎo)線的電感量在1～1.6μH之間，且能有效解決電感做極間配合時(shí)，工作電流不能過大的問題。

6 變壓器、光耦、Y電容

變壓器、光耦和Y電容都不是保護(hù)型器件，但在設(shè)計(jì)電路時(shí)，利用這些元器件的隔離特性，可以提高電路抗過電壓能力。

電路端口的雷擊保護(hù)設(shè)計(jì)按照工作方式，通常分為兩種：一種是通過安裝保護(hù)器件，達(dá)到對地限壓的目的，此方法當(dāng)電路中出現(xiàn)過電壓時(shí)，保護(hù)器工作為短路狀態(tài)，泄放過電流；第二種是采用隔離元件，使兩邊電路不共地，當(dāng)電路中出現(xiàn)過電壓時(shí)，隔離元件的兩端產(chǎn)生瞬時(shí)電壓差。只需隔離元件絕緣電壓大于電壓差，電路上的過電壓就不能通過隔離元件，進(jìn)而破壞內(nèi)部設(shè)備。此時(shí)電路只需要差模保護(hù)，且保護(hù)電路可以大為簡化。采用這種方法保護(hù)的主要有以太網(wǎng)口端口等等。采用的隔離元件一般有變壓器、光耦、Y電容等。

這里的變壓器主要是指用于弱點(diǎn)端口的各種信號傳輸變壓器。選用此類變壓器時(shí)，主要考慮的是變壓器的沖擊耐壓值，一般其大致估算方法為：沖擊耐壓值=2×直流耐壓值=3×交流耐壓值。

圖5是一種采用變壓器結(jié)合的信號端口防護(hù)電路設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，外線上可能串入對地共模過電壓，該過電壓將作用于變壓器的初級和次級間，從而消除對內(nèi)部電路的影響。

7 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了發(fā)射臺(tái)站防雷電路設(shè)計(jì)中常用的六種防雷元器件的原理、性能特點(diǎn)以及應(yīng)用情況。重點(diǎn)介紹如何通過配合使用各保護(hù)器件，獲得更好的防雷效果。為設(shè)計(jì)和維護(hù)防雷系統(tǒng)提供一些技術(shù)層面的依據(jù)，從而使防雷系統(tǒng)發(fā)揮有效作用，防止雷擊對人身安全和設(shè)備安全造成危害。