組件和保護電路

電湧電壓出現時,受影響的裝置和電纜必須利用等電位連接在非常短的時間內短路。為此,提供具備合適屬性的多種組件供選用。本質上,這些組件不同之處在於其回應行為和放電容量。

抑制二極體

抑制二極體的圖形符號和 U/I 特性曲線  

抑制二極體的圖形符號和 U/I 特性曲線

屬性:

  • 該功能通稱為精細保護。
  • 回應非常快。
  • 電壓限制低。
  • 標準型號具有低載流容量、高電容。
    • 額定電壓 5 V 時,最高放電容量約 750 A。
    • 額定電壓提高時,放電容量明顯下降。

特性:

還可選擇額定電壓更高、放電容量更大的二極體。但是,這些型號體積明顯較大,因此難以與保護電路組合使用。

要點:

UR = 反向電壓
UB = 擊穿電壓
UC = 鉗位電壓
IPP = 峰值脈衝電流
IR = 反向電流

變阻器

金屬氧化物變阻器的圖形符號和 U/I 特性曲線  

金屬氧化物變阻器的圖形符號和 U/I 特性曲線

屬性:

  • 該功能通稱為中等保護。
  • 回應時間在低納秒範圍內。
  • 回應速度快於充氣突波保護裝置。
  • 不引發線路後續電流。

特性:

一般放電電流最多 2.5 kA 的變阻器用作 MCR 技術中的中期保護階段。在電源領域,一般放電電流最多 3 kA 的變阻器是用於裝置保護的第 3 類保護裝置中的保護電流的關鍵組件。用於第 2 類保護裝置的變阻器功能更為強大。在此應用領域中,標準型號可耐受最高 20 kA 的一般放電電流。針對特殊應用,還可選用耐受電流最高 80 kA 的 2 類保護裝置。

要點:

A = 高電阻運行區域
B = 低電阻運行區域/限制區域

充氣式突波保護裝置

充氣式突波保護裝置的圖形符號和特性點火曲線  

充氣式突波保護裝置的圖形符號和特性點火曲線

屬性:

  • 該功能通稱為中等保護。
  • 回應時間為中納秒範圍內。
  • 標準型號的放電電流最高 20 kA。
  • 該組件儘管放電容量高,尺寸卻非常緊湊。

特性:

利用此組件,應力相關點火行為可引起殘餘電壓,單次殘餘電壓即可達 100 V。

要點:

1) 靜態回應行為
2) 動態回應行為

火花間隙

火花間隙的圖形符號和特性點火曲線  

火花間隙的圖形符號和特性點火曲線

屬性:

  • 雷擊電流保護裝置關鍵組件
  • 針對線路後續電流的高滅弧能力
  • 較高的回應速度
  • 應力相關點火行為

特性:

大多數情況下,功能強大的雷擊電流保護裝置的關鍵部件是火花間隙。該組件包含兩個招弧角,兩者相對佈置且位置接近。電湧電壓在兩個招弧角間引起火花放電,產生電弧。等離子場對電湧電壓進行短路。此處的電流以非常「高陡」的趨勢上升,電流值以 kA 為單位達到三位數。火花間隙分開放式和封閉式。實際上,開放式火花間隙的放電和滅弧能力更強。

切弧技術經證實,對火花間隙非常有效。在這種情況下,還需在電極對面配備通稱為緩衝板的部件。電極間的電弧導向緩衝板并在此消散。這會導致生成電弧碎片,這種碎片會從火花間隙吹走,易於滅弧。這使得火花間隙在電湧電壓不存在時立即恢復高電阻。

要點:

UZ = 回應電壓/點火電壓
tZ = 回應時間

用於訊號介面的組合式保護電路

根據應用使用多種組件。這些組件可單獨使用,也可組合用於複雜的保護電路。

配有歐姆去耦功能的兩階段保護電路(左)及配有電感去耦功能的三階段保護電路(右)

配有歐姆去耦功能的兩階段保護電路(左)及配有電感去耦功能的三階段保護電路(右)

所需的特定於組件的優勢可以通過組合各類組件集合。例如,組合的充氣式保護裝置和抑制二極體電路可構成用於敏感訊號介面的標準保護電路。這種組合在盡可能提高電壓保護級別的同時,具有高性能和快速回應保護功能。

這些組件根據保護階段,平行間接切換。換言之,歐姆或電感去耦部件在組件間循環。這使得交錯配置的保護階段可在不同的時間回應。

保護電路的區別主要在於:

  • 保護階段的數量
  • 電路的作用方向(共模/正常模式保護)
  • 額定電壓
  • 對訊號頻率的阻尼效應
  • 電壓保護級別(鉗位電壓)

多階段保護電路的功能

兩階段保護電路中的電壓分佈  

兩階段保護電路中的電壓分佈

電湧電壓出現時,抑制二極體作為最快速的組件首先回應。放電電流流過抑制二極體及上游去耦電阻器。通過去耦電阻器使電壓下降。這相當於抑制二極體和充氣式突波保護裝置的各類回應電壓的差別。

這樣,在突波電流使抑制二極體超載前,即會達到充氣式突波保護裝置的回應電壓。這意味著在充氣式突波保護裝置回應時,放電電流幾乎完全流過充氣式突波保護裝置。通過充氣式突波保護裝置的殘餘電壓最大為 20 V,因此減輕了抑制二極體的壓力。在低放電電流不至於使抑制二極體超載的情況下,充氣式突波保護裝置不會回應。

示例中的電路表明了低電壓限制快速回應的優勢,并具有高放電容量。配有電感去耦功能的三階段保護電路具有相同的工作原理。但通訊分兩步完成,首先是從抑制二極體到變阻器,再到充氣式突波保護裝置。

電壓分佈原理也適用於電源周圍不同的保護階段之間。UW 通過 1 型和 2 型保護裝置間的電纜,以及 2 型和 3 型保護裝置間的電纜後下降。但是,對於無需考慮電纜長度,可在保護階段間進行協調的電源而言,也存在保護裝置設計方案。

要點:

UG = 充氣式突波保護裝置的回應電壓
UD = 抑制二極體的鉗制電壓
UW = 通過去耦電阻器的異態電壓

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