防护电路中的元器件

通信产品在运用的过程中，由于雷击等缘故原由形成的过电压和过电流会对设备端口造成危害，因此应该设计相应的防护电路，各个端口根据其产品族类、网络地位、目标市场、运用环境、旗子暗记类型以及实现本钱等多种成分的不同所对应的防护电路也不同。

1、气体放电管

图1 气体放电管的事理图符号

气体放电管是一种开关型保护器件，事情事理是气体放电。
当两极间电压足够大时，极间间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，类似短路。
导电状态下两极间坚持的电压很低，一样平常在20～50V，因此可以起到保护后级电路的效果。
气体放电管的紧张指标有：相应韶光、直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量、绝缘电阻、极间电容、续流遮断韶光。

气体放电管的相应韶光可以达到数百ns以至数ms，在保护器件中是最慢的。
当线缆上的雷击过电压使防雷器中的气体放电管击穿短路时，初始的击穿电压基本为气体放电管的冲击击穿电压，放电管击穿导通后两极间坚持电压低落到20～50V；另一方面，气体放电管的通流量比压敏电阻和TVS管要大，气体放电管与TVS等保护器件合用时应使大部分的过电流利过气体放电管泄放，因此气体放电管一样平常用于防护电路的最前级，其后级的防护电路由压敏电阻或TVS管组成，这两种器件的相应韶光很快，对后级电路的保护效果更好。
气体放电管的绝缘电阻非常高，可以达到千兆欧姆的量级。
极间电容的值非常小，一样平常在5pF以下，极间泄电流非常小，为nA级。
因此气体放电管并接在线路上对线路基本不会构成什么影响。

气体放电管的续流遮断是设计电路须要重点考虑的一个问题。
如前所述，气体放电管在导电状态下续流坚持电压一样平常在20～50V，在直流电源电路中运用时，如果两线间电压超过15V，不可以在两线间直接应用放电管。
在50Hz互换电源电路中利用时，虽然互换电压有过零点，可以实现气体放电管的续流遮断，但气体放电管类的器件在经由多次导电击穿后，其续流遮断能力将大大降落，长期利用后在互换电路的过零点也不能实现续流的遮断；还存在一种情形便是如果电流和电压相位不一致，也可能导致续流不能遮断。
因此在互换电源电路的相线对保护地线、相线对零线以及相线之间单独利用气体放电管都不得当，当用电设备采取单相供电且无法担保实际运用中相线和中线不存在接反的可能性时，中线对保护地线单独利用气体放电管也是不得当的，此时利用气体放电管须要和压敏电阻串联。
在互换电源电路的相线对中线的保护中基本不该用气体放电管。

防雷电路的设计中，应看重气体放电管的直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量等参数值的选取。
设置在普通互换线路上的放电管，哀求它在线路正常运行电压及其许可的颠簸范围内不能动作，则它的直流放电电压应知足：min(ufdc)≥1.8UP。
式中ufdc直流击穿电压，min(ufdc)表示直流击穿电压的最小值。
UP为线路正常运行电压的峰值。

气体放电管紧张可运用在互换电源口相线、中线的对地保护；直流RTN和保护地之间的保护；旗子暗记口线对地的保护；天馈口馈线芯线对屏蔽层的保护。

气体放电管的失落效模式多数情形下为开路，因电路设计缘故原由或其它成分导致放电管长期处于短路状态而烧坏时，也可引起短路的失落效模式。
气体放电管利用寿命相对较短，多次冲击后性能会低落，同时其他放电管在永劫光利用会有漏气失落效这种自然失落效的情形，因此由气体放电管构成的防雷器永劫光利用后存在掩护及改换的问题。

2、 压敏电阻

图2 压敏电阻的事理图符号

压敏电阻是一种限压型保护器件。
利用压敏电阻的非线性特性，当过电压涌如今压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。
压敏电阻的紧张参数有：压敏电压、通流容量、结电容、相应韶光等。

压敏电阻的相应韶光为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一样平常情形下用于电子电路的过电压保护其相应速率可以知足哀求。
压敏电阻的结电容一样平常在几百到几千pF的数量级范围，很多情形下不宜直接应用在高频旗子暗记线路的保护中，运用在互换电路的保护中时，由于其结电容较大会增加泄电流，在设计防护电路时须要充分考虑。
压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。

压敏电阻的压敏电压（min(U1mA））、通流容量是电路设计时应重点考虑的。
在直流回路中，应该有：min(U1mA) ≥(1.8～2)Udc，式中Udc为回路中的直流额定事情电压。
在互换回路中，应该有：min(U1mA) ≥(2.2～2.5)Uac，式中Uac为回路中的互换事情电压的有效值。
上述取值原则紧张是为了担保压敏电阻在电源电路中运用时，有适当的安全裕度。
在旗子暗记回路中时，应该有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax为旗子暗记回路的峰值电压。
压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。
一样平常而言，压敏电阻的通流容量要大于即是防雷电路设计的通流容量。

压敏电阻紧张可用于直流电源、互换电源、低频旗子暗记线路、带馈电的天馈线路。

压敏电阻的失落效模式紧张是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。
压敏电阻利用寿命较短，多次冲击后性能会低落。
因此由压敏电阻构成的防雷器永劫光利用后存在掩护及改换的问题。

3 电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS）图3 TVS管事理图

TVS（Transient Voltage Suppression）是一种限压保护器件，浸染与压敏电阻很类似。
也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。
TVS管的紧张参数有：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、相应韶光等。

TVS的相应韶光可以达到ps级，是限压型浪涌保护器件中最快的。
用于电子电路的过电压保护时其相应速率都可知足哀求。
TVS管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型TVS一样平常在几百～几千pF的数量级，低结电容型TVS的结电容一样平常在几pF～几十pF的数量级。
一样平常分立式TVS的结电容都较高，表贴式TVS管中两种类型都有。
在高频旗子暗记线路的保护中，应紧张选用低结电容的TVS管。

TVS管的非线性特性比压敏电阻好，当通过TVS管的过电流增大时，TVS管的钳位电压上升速率比压敏电阻慢，因此可以得到比压敏电阻更空想的残压输出。
在很多须要风雅保护的电子电路中，运用TVS管是比较好的选择。
TVS管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一样平常用于最末级的风雅保护，因其通流量小，一样平常不用于互换电源线路的保护，直流电源的防雷电路利用TVS管时，一样平常还须要与压敏电阻等通流容量大的器件合营利用。
TVS管便于集成，很适宜在单板上利用。

TVS具有的另一个优点是可灵巧选用单向或双向保护器件，在单极性的旗子暗记电路和直流电源电路中，选用单向TVS管，可以得到比较低的残压。

TVS的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。
在直流回路中，应该有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR为直流TVS的反向击穿电压，Umax是直流回路中的电压峰值。

TVS管紧张可用于直流电源、旗子暗记线路、天馈线路的防雷保护。

TVS管的失落效模式紧张是短路。
但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂而开路。
TVS管的利用寿命相对较长。

4 电压开关型瞬态抑制二极管（TSS）

图4 TSS管的事理图符号

电压开关型瞬态抑制二极管（TSS，Thyristor SurgeSuppressor）与TVS管相同，也是利用半导体工艺制成的限压保护器件，但其事情事理与气体放电管类似，而与压敏电阻和TVS管不同。
当TSS管两端的过电压超过TSS管的击穿电压时，TSS管将把过电压钳位到比击穿电压更低的靠近0V的水平上，之后TSS管持续这种短路状态，直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后，TSS规复开路状态。

TSS是电压开关型瞬态抑制二极管，便是涌抑制晶体管，或者叫做导体放电管，固体放电管等等。
LangTuo等牌子。
TSS管是利用半导体工艺制成的保护器件，紧张用于旗子暗记电路的防雷保护。
不能用在电源端口。
TSS器件的通流容量一样平常最高可达到150A（8/20uS）。

TSS管和TVS管都是利用半导体工艺制成的限压保护器件，TSS管是电压开关型的。
TVS是电压钳位型的。
TSS管在相应韶光，结电容方面与TVS管是相同特点，易于制成表贴器件，很适宜在单板上利用。
TSS管适宜于旗子暗记电平较高的旗子暗记电路保护。

TSS管在相应韶光、结电容方面具有与TVS管相同的特点。
易于制成表贴器件，很适宜在单板上利用，TSS管动作后，将过电压从击穿电压值附近下拉到靠近0V的水平，这时二极管的结压降小，以是用于旗子暗记电平较高的线路（例如：仿照用户线、ADSL等）保护时通流量比TVS管大，保护效果也比TVS管好。
TSS适宜于旗子暗记电平较高的旗子暗记线路的保护。

在利用TSS管时须要把稳的一个问题是：TSS管在过电压浸染下击穿后，当流过TSS管的电流值低落到临界值以下后，TSS管才规复开路状态，因此TSS管在旗子暗记线路中利用时，旗子暗记线路的常态电流应小于TSS管的临界规复电流。
临界规复电流值随TSS管的型号和设计运用处所的不同而不同，利用时应把稳在器件手册中查明所用具体型号的确切值。

TSS管的击穿电压（min(UBR））、通流容量是电路设计时应重点考虑的。
在旗子暗记回路中时，应该有：min(UBR)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax为旗子暗记回路的峰值电压。

TSS管较多运用于旗子暗记线路的防雷保护。

TSS管的失落效模式紧张是短路。
但当通过的过电流太大时，也可能造成TSS管被炸裂而开路。
TSS管的利用寿命相对较长。

5 正温度系数热敏电阻(PTC）

PTC是一种限流保护器件，它有一个动作温度值TS，当其本体内温度低于TS时，其阻值坚持基本恒定，这时的阻值称为冷电阻。
当正温度系数电阻本体那温度高于TS时，其阻值迅速增大，可以达到的最大阻值能过比冷电阻值打104倍旁边。
由于它的阻值可以随温度升高而迅速增大，以是一样平常串联于线上用作暂态大电流的过流保护。
PTC在旗子暗记线及电源线路上都有运用。

PTC反应速率较慢，一样平常在毫秒级以上，因此它的非线性电阻特性在雷击过电流利过期基本发挥不了浸染，只能按它的常态电阻（冷电阻）来估算它的限流浸染。
热敏电阻的浸染更多的表示在诸如电力线碰触等涌现永劫光过流保护的场合，常用于用户线路的保护中。

目前PTC紧张有高分子材料PTC和陶瓷PTC两种，个中陶瓷PTC的过电压耐受能力比高分子材料的PTC好，但高分子材料的PTC相应速率比陶瓷PTC快。
常日陶瓷PTC不能实现低阻值，低阻值的PTC均采取的是高分子的材料。

6 保险管、熔断器、空气开关

保险管、熔断器、空气开关都属于保护器件，用于设备内部涌现短路、过流等故障情形下，能够断开线路上的短路负载或过流负载，防止电气失火及担保设备的安全特性。

保险管一样平常用于单板上的保护，熔断器、空气开关一样平常可用于整机的保护。
下面大略先容保险管的利用。

对付电源电路上由空气放电管、压敏电阻、TVS管组成的防护电路，必须配有保险管进行保护，以避免设备内的防护电路破坏后设备发生安全问题。
图4-5给出了保险运用的两个例子，个中a电路中防护电路与主回路共用一个保险，当防护电路短路失落效时主回路供电会同时断开，b电路中主回路和防护电路有各自的保险，当防护电路失落效时防护电路的保险断开，主回路仍旧能正常事情，但是此时端口再涌现过电压时，端口可能会由于失落去防护而导致内部电路的破坏。
两种电路各有利弊，在设计过程中可以根据须要选用。
无馈电的旗子暗记线路、天馈线路的保护采取保险管的必要性不大。

图5 保险运用的两个例子

保险管的特性紧张有：额定电流、额定电压等。
个中额定电压有直流和互换之分。

标注在熔丝上的电压额定值表示该熔丝在电压即是或小于其额定电压的电路中完备可以安全可靠地中断其额定的短路电流。
电压额定值系列包括在N．E．C规定中，而且也是保险商实验室的一项哀求，作为防止失火危险的保护方法。
对付大多数小尺寸熔丝及微型熔丝，熔丝制造商们采取的标准额定电压为32、63、125、250、600V。

概括而言，熔丝可以在小于其额定电压的任何电压下利用而不危害其熔断特性。
防护电路中的保险管，宜选用防爆型慢熔断保险管。

7 电感、电阻、导线

电感、电阻、导线本身并不是保护器件，但在多个不同保护器件组合构成的防护电路中，可以起到合营的浸染。

防护器件中，气体放电管的特点是通流量大、但相应韶光慢、冲击击穿电压高；TVS管的通流量小，相应韶光最快，电压钳位特性最好；压敏电阻的特性介于这两者之间，当一个防护电路哀求整体通流量大，能够实现风雅保护的时候，防护电路每每须要这几种防护器件合营起来实现比较空想的保护特性。
但是这些防护器件不能大略的并联起来利用，例如：将通流量大的压敏电阻和通流量小的TVS管直接并联，在过电流的浸染下，TVS管会先发生破坏，无法发挥压敏电阻通流量大的上风。
因此在几种防护器件合营利用的场合，每每须要电感、电阻、导线等在不同的防护元件之间进行合营。
下面对这几种元件分别进行先容：

电感：在串联式直流电源防护电路中，馈电线上不能有较大的压降，因此极间电路的合营可以采取空心电感，如下图：

图6 用电感实现两级防护器件的合营

电感应起到的浸染：防护电路达到设计通流量时，TVS上的过电流不应达到TVS管的最大通流量，因此电感须要供应足够的对雷击过电流的限流能力。

在电源电路中，电感的设计应把稳的几个问题：

1、电感线圈应在流过设备的满配事情电流时能够正常事情而不会过热；

2、只管即便利用空心电感，带磁芯的电感在过电流浸染下会发生磁饱和，电路中的电感量只能以无磁芯时的电感量来打算；

3、线圈应尽可能绕制单层，这样做可以减小线圈的寄生电容，同时可以增强线圈对暂态过电压的耐受能力；

4、绕制电感线圈导线上的绝缘层应具有足够的厚度，以担保在暂态过电压浸染下线圈的匝间不致发生击穿短路。

在电源口的防护电路设计中，电感常日取值为7～15uH。

电阻：在旗子暗记线路中，线路上串接的元件对高频旗子暗记的抑制要只管即便少，因此极间合营可以采取电阻，如下图：

图7 用电阻实现两级防护器件的合营

电阻应起到的浸染与前述电感的浸染基本相同。
以上图为例，电阻的取值打算方法为：测得空气放电管的冲击击穿电压值U1，查TVS器件手册得到TVS管8/20us冲击电流下的最大通流量I1、以及TVS管最高钳位电压U2，则电阻的最小取值为：R≥（U1-U2）/I1。

在旗子暗记线路中，电阻的利用应把稳的几个问题：

1、电阻的功率应足够大，避免过电流浸染下电阻发生破坏；

2、只管即便利用线性电阻，使电阻对正常旗子暗记传输的影响只管即便小。

导线：某些交/直流设备的满配事情电流很大，超过30A，这种情形下防护电路的极间合营采取电感会涌现体积过大的问题，为办理这个问题，可以将防护电路分为两个部分，前级防护和后级防护不设计在同一块电路板上，同时两级电路之间可以利用规定长度的馈电线来做合营。

图8 用导线实现两级防器件的合营

这种组合形成的防护电路中，规定长度馈电线所起的浸染，与电感的浸染是相同的，由于1米长导线的电感量在1～1.6uH之间，馈电线达到一定长度，就可以起到良好的合营浸染，馈电线的线径可以根据满配事情电流的大小灵巧选取，战胜了采取电感做极间合营时电感上不能流过很大事情电流的缺陷。

8 变压器、光耦、继电器

变压器、光耦和继电器本身并不属于保护器件，但端口电路的设计中可以利用这些器件具有的隔离特性来提高端口电路抗过电压的能力。

端口雷击共模保护设计有两种方法：

1、线路对地安装限压保护器，当线路引入雷击过电压时，限压保护器成为短路状态将过电流泄放到大地；

2、线路上设计隔离元件，隔离元件两边的电路不共地，当线路引入雷击过电压时，这个瞬间过电压施加在隔离元件的两边。
只要在过电压浸染在隔离元件期间，隔离元件本身不被绝缘击穿，并且隔离元件前高压旗子暗记线不对其他低压部分击穿，线路上的雷击过电压就不能够转化为过电流进入设备内部，设备的内部电路也就得到了保护。
这时线路上只须要设计差模保护，防护电路可以大大简化。
例如以太网口的保护就可以采取这种思路。
能够实现这种隔离浸染的元件紧张有：变压器、光耦和继电器等。

这里的变压器紧张是指用于旗子暗记端口的各种旗子暗记传输变压器。
变压器一样平常有初/次级间绝缘耐压的指标，变压器的冲击耐压值（适用于雷击）可根据直流耐压值或互换耐压值换算出来。
大致的估算公式为：冲击耐压值=2直流耐压值=3互换耐压值。

图9 用变压器实现隔离

上图示出一种将变压器结合在内的旗子暗记端口防护电路设计。
雷击时，设备外部的线缆上可感应的对地共模过电压浸染在变压器的低级和次级之间，如图9。
只要初/次级不发生绝缘击穿，设备外电缆上的过电压就不会转化为过电流进入设备内部。
这时端口只须要做差模保护，利用变压器等器件的隔离特性，有利于简化端口的防雷电路。

采取这种方法设计须要把稳的是：变压器、光耦和继电器等元件本身的绝缘耐压能力应很高（例如冲击耐压大于4kV），否则在过电压的浸染下很随意马虎发生绝缘击穿，不能起到提高端口耐压的浸染。
其余，利用变压器的隔离特性时，须要把稳变压器的初/次级间有分布电容，某些情形下外部线缆上的共模过电压可通过分布电容从低级耦合到次级，从而进入到内部电路中，这样就毁坏了变压器的隔离效果，因此应只管即便选用带有初次极间屏蔽层的变压器，并将变压器屏蔽层外引线在单板内接地，如图9所示。
这时变压器的有效绝缘耐压变成了低级与屏蔽接地端间的绝缘耐压值。
采取共模隔离设计的另一个须要把稳的问题是低级电路与单板上其它电路、地的印制线在单板上应分离开，并有足够的绝缘间隔。
一样平常，印制板上边缘相距1mm的两根印制走线，能耐受1.2/50us冲击电压4kV旁边。

在防护电路的器件选型过程中对气体放电管、压敏电阻、热敏电阻、保险管、熔断器、空气开关等都要选择有安全认证的器件。