防雷接地产品，防雷元件介绍-电子发烧友网

1 开关元件类

1.1 定义

正常工作时，开关元件是断开的;当雷击浪涌来的时候，开关元件导通，将浪涌电流泄放到大地，从而保护了电子设备免受浪涌冲击损坏。

1.2 开关元件分类

开关元件类有陶瓷气体放电管、玻璃放电管(强效放电管)、半导体过压保护器(半导体放电管、固体放电管)三种类型。

1.2.1 陶瓷气体放电管

1.2.1.1 陶瓷气体放电管工作原理

气体放电管的内部结构如图所示。它主要由电极及绝缘瓷管所组成，在电极的有效电子檄活化合物发射表面上涂有激活化合物(电子粉)，电极间的距离一般小于1mm以提高屯子的发射能力。为了保证气体放电管能快速地将浪涌电压限制在低电位，在陶瓷绝缘管内表面制作有一导电带，通过作用电场来加速放电区域的电离，使放电管具有快速响应特性和可恢复性

把一对互相隔开的冷电极，封装在玻璃或陶瓷管内，管内再充以一定压力的惰性气体(如氩气)，就构成了一只放电管。

由于两只放电管分别装在一个回路的两根导线上，有时回不同时放电，使两导线之间出现电位差，为了使两根导线上的放电管能接近统一时间放电，减少两线之间的电位差，又研制了三级放电管。可以看作是由两只二级放电管合并在一起构成的。三级放电管中间的一级作为公共地线，另两级分别接在回路的两条导线上。

1.2.1.2 气体放电管技术参数

气体放电管主要技术参数：

① 标称直流击穿电压(V);

② 直流击穿电压误差(%);

③ 冲击击穿电压(V);

④ 标称耐冲击电流(kA);

⑤ 单次耐冲击电流(kA);

⑥ 绝缘电阻(GΩ);

⑦ 电容(pF);

⑧ 外形尺寸(mm);

1.2.2 玻璃放电管

“玻璃放电管”将半导体集成在气体放电管里，使该产品集气体放电管的大浪涌电流和半导体的高速响应于一体，克服了原气体放电管响应速度慢(μs级)和半导体管耐浪涌电流弱的缺点、具有响应速度快(ns级)、耐冲击、性能稳定、重复性好和寿命长等优点。电流承受能力强(8/20μs)：500A、1000A、3000A。

1.2.3 固体放电管

固体放电管是基于晶闸管原理和结构的一种两端负阻器件。可以吸收突波，抑制过高电压，达到保护易损组件的目的。该器件是在硅单晶片两面同时掺杂同种杂质而形成。

① 击穿(导通)前相当于开路，电阻很大，几乎没有漏电流;

② 击穿(导通)后相当于短路，可通过很大的电流，压降很小;

③ 脉冲通流容量(峰值电流)大：陶瓷气体放电管的8/20μs波峰值电流常用的有5kA、10kA、20kA等几种(当然还有更大的，达100kA以上)，10/1000μs波峰值电流在几十至几百A之间;玻璃放电管的8/20μs波峰值电流现有500A、1kA、3kA三种;半导体过压保护器的10/1000μs波峰值电流在几十至上百A之间。

④ 除了个别半导体过压保护器外，它们都具有双向对称特性。

⑤ 陶瓷气体放电管和玻璃放电管的电容都很小，在3pF以下。

⑥ 玻璃放电管和半导体过压保护器的响应速度都很快，在ns量级。

⑦ 玻璃放电管的击穿电压可以做得很高，最高的达5kV。

⑧ 半导体过压保护器的击穿电压可以做得很准确。

1.4 开关元件缺点

① 由于气体电离需要一定的时间，所以响应速度较慢，反应时间一般为0.2～0.3μs(200～300ns),最快也就是0.1μs(100ns)左右，在它未导通前，会有一个幅度较大的尖脉冲漏过去。

② 击穿电压一致性较差，分散性较大，一般为±20%。

③ 击穿电压只有几个特定值。玻璃放电管和半导体过压保护器：

④ 通流容量较陶瓷气体放电管小得多。

⑤ 击穿电压尚未形成系列值。

⑥ 玻璃放电管击穿电压分散性较大，为±20%。

⑦ 半导体过压保护器电容较大，有几十至几百pF。

1.5 放电管的测量

1.5.1 防雷元件测试仪(FC-2G)

适用于氧化锌避雷器(压敏电阻)、金属陶瓷放电管、真空避雷管等过压防护元件直流参数的测试。

具有记忆、运算、保持、控制、自检功能。

具有高压短路保护、过流保护、高压予置等功能。高压自泄放时间小于0.5秒。

测试结果由三位半LCD数字显示、准确度高，可靠性好。

多功能型还具有连续和筛选功能、适合电信部门使用的点火电压190V～260V的放电管批量检验。

1.5.2 测量方法(FC-2G 型测气体放电管)

①将“测试选择”键置“放电管”位;“U0.75选择”键置“人工”位，开启电源和高压。

②调节“高压预置”旋钮。使仪器显示的预置电压值低于被测放电管标称值100V以下，直至起始位置(约15V)。

③将被测放电管用测量线接入仪器“测试孔”“+”、“—”端钮，轻触“升压”键，待绿色“放电指示灯”亮时，仪器稳定显示出的值为该放电管点火电压值。

连续测试时，须待预置电压显示值稳定后，再启动“升压”键。

2 限压元件类

2.1 定义

当限压元件外加电压小于其导通电压时，它具有很大的内阻，漏电流很小;当外加电压大于其导通电压时，其内阻急剧减小，可以流过很大的电流，而其两端的电压却只有少量的上升。。

2.2 限压元件分类

限压元件类有压敏电阻、TVS管(瞬态电压抑制二极管)等。它们象稳压二极管那样具有限压特性。它们的导通电压都有从低压到高压的系列值，便于在各种不同电压的电路中使用。另外，两者的电容都较大(TVS管也有低电容产品)，不适于在高频电路中使用。。

2.2.1 压敏电阻

2.2.1.1 压敏电阻工作原理

压敏电阻(ZnO)实际上是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，在正常电压条件下，这相当于一只小电容器，而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏，它的伏安特性是对称的，如图(1)a 所示。这种元件是利用陶瓷工艺制成的，它的内部微观结构如图(1)b 所示。微观结构中包括氧化锌晶粒以及晶粒周围的晶界层。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，相接触的两个晶粒之间形成了一个相当于齐纳二极管的势垒，这就是一压敏电阻单元，每个单元击穿电压大约为3.5V，如果将许多的这种单元加以串联和并联就构成了压敏电阻的基体。串联的单元越多，其击穿电压就超高，基片的横截面积越大，其通流容量也越大。压敏电阻在工作时，每个压敏电阻单元都在承受浪涌电能量，而不象齐纳二极管那样只是结区承受电功率，这就是压敏电阻为什么比齐纳二极管能承受大得多的电能量的原因。

我国规定压敏电阻用字母“MY”表示，如加J为家用，后面的字母分别表示：W——稳压、G——过压保护、P——高频电路、L——防雷、H——灭弧、Z——消噪、B——补偿、C——消磁、N——高能、K——高可靠。

2.2.1.2 压敏电阻技术参数

压敏电阻主要技术参数：

① 标称电压(V)：指通过1mA直流电流时压敏电阻器两端的电压值。

② 电压比：指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。

③ 最大限制电压(V)：指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。

④ 残压比：通过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。残压比则是残压与标称电压之比。

⑤ 通流容量(kA)：通流容量也称通流量，是指在规定的条件(规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流)下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲(峰值)电流值。

⑥ 漏电流(μA)：漏电流也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器电流。

⑦ 电压温度系数：指在规定的温度范围(温度为20℃～70℃)内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变1℃时，压敏电阻器两端电压的相对变化。

⑧ 电流温度系数：指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相对变化。

⑨ 电压非线性系数：指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。

⑩ 绝缘电阻：指压敏电阻器的引出线(引脚)与电阻体绝缘表面之间的电阻值。

⑪ 静态电容量(PF)：指压敏电阻器本身固有的电容容量。

⑫ 外形尺寸(mm)

2.2.1.3 压敏电阻检测方法

1)使用“自动”位测试压敏电阻

a) 将前面板“测试选择”键置“压敏电阻”位;将"U0.75选择”键置“自动”位，将后面板“显示选择”两拨动开关置“自动位”后开启电源。

b) 将被测压敏电阻用测试线接人“测试孔”的“+”、“—”端，轻触高压“启”键，仪器显示值即为起始动作电压U1mA值。即时按住“漏流”键，仪器再显示的值为0.75U1mA条件下的漏流I0.75U1mA值。

c) 轻触高压“停”键后取下被测压敏电阻。

d) 连续使用时从1.2开始。

2)使用“人工”位测试压敏电阻。

a) 将“测试选择”键置压敏电阻位;将“U0.75”选择键置“人工”位;将“显示选择”开关置“电压”位，开启电源和高压。调节高压预置旋钮，使仪器显示的电压值高于被测试的压敏电阻标称值的1.2倍以上(绝对值应≥100V)。尔后，可连续接入压敏电阻进行U1mA单一指标的测试。

b) 根据已测压敏电阻U1mA值计算出0.75U1mA，将仪器预置电压调节到此值，再将“显示选择”开关拨至“电流”位，尔后，可连续接入U1mA值相同的压敏电阻进行I0.75U1mA单一指标的测试。

2.2.2 瞬态电压抑制二极管(TVS)

2.2.2.1 TVS的工作原理

TVS半导体二极管是一种特殊的器件，采用聚烃硅氧制成的N/P结，通过控制N/P结的掺杂浓度和基片的电阻率产生雪崩现象，使用箝位特性对瞬态电压进行箝位。最大特点是通过控制聚烃硅氧的N/P结和控制衬底的电阻率产生雪崩特性，能够提供正向和反向的瞬态电压保护，TVS二极管在规定的反向条件下，能承受高能量的瞬态过压抑制，其工作阻抗瞬间降至很低的导通值，允许很大的电流通过，对过电压进行箝位，从而有效地保护电子线路免遭损坏。可分为单向和双向两种类型：

1)单向TVS的V-I特性

如图1-1所示，单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿，为典型的PN结雪崩器件。从击穿点到Vc值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值，并保持在这一水平上。

2、双向TVS的V-I特性

如图1-2所示，双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，正反两面击穿电压的对称关系为：0.9≤V(BR)(正) /V(BR)(反) ≤1.1，一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压Vc就会立刻被抑制掉，双向TVS在交流回路应用十分方便。

2.2.2.2 TVS主要技术参数

1)击穿电压V(BR)

器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流I(BR) 下，测得器件两端的电压称为击穿电压，在此区域内，二极管成为低阻抗的通路。

2)最大反向脉冲峰值电流IPP

在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。IPP与最大箝位电压Vc(MAX)的乘积，就是瞬态脉冲功率的最大值。

使用时应正确选取TVS，使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。

图1-3表明当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态。因此，TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子线路。

峰值电流波形

A、正弦半波

B、矩形波

C 、标准波(指数波形)

D、三角波

TVS峰值电流的试验波形采用标准波(指数波形)，由TR/TP决定。

峰值电流上升时间TR:电流从0.1IPP开始达到0.9IPP的时间。

半峰值电流时间TP：电流从零开始通过最大峰值后，下降到0.5IPP值的时间。其波形如图1-4所示。

下面列出典型试验波形的TR/TP值：

A、EMP波(图1-5)：10ns /1000ns B、闪电波：8μs /20μs C、标准波：10μs /1000μs

3)最大反向工作电压VRWM(或变位电压)

器件反向工作时，在规定的IR下，器件两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。通常VRWM =(0.8～0.9)V (BR) 。在这个电压下，器件的功率消耗很小。使用时，应使VRWM 不低于被保护器件或线路的正常工作电压。

4)最大箝位电压Vc(max)

在脉冲峰值电流Ipp 作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。使用时，应使Vc(max)不高于被保护器件的最大允许安全电压。最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数。

即：箝位系数=Vc(max)/V(BR)

一般箝位系数为1.3左右。

5)反向脉冲峰值功率PPR

TVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压Vc(max )，除此以外，还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。

当脉冲时间Tp一定时，PPR =K1...·K2 ·Vc(max ) ·Ipp

式中K1为功率系数，K2为功率的温度系数。

典型的脉冲持续时间tp为1MS，当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp 比标准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加。图1-8给出了PPR与tp 的关系曲线。TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关，用功率系数K1表示，各种浪涌波形的K1值如表1所示。

E=∫i(t).V(t)dt

式中：i(t)为脉冲电流波形，V(t)为箝位电压波形。

这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是，在实际的应用中，浪涌通常是重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但若重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，在某些情况下，也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此，电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件，使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。

6)电容CPP

TVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定，电容在零偏情况下，随偏置电压的增加，该电容值呈下降趋势。电容的大小会影响TVS器件的响应时间。

7)漏电流IR

当最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管有一个漏电流IR，当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流是一个重要的参数

2.3 压敏电阻和TVS的区别

压敏电阻与TVS管的区别在于：压敏电阻能承受更大的浪涌电流，而且其体积越大所能承受的浪涌电流越大，最大可达几十kA到上百kA;但压敏电阻的漏电流较大，非线性特性较差(动态电阻较大)，大电流时限制电压较高，且所能耐受的冲击电流的大小随冲击次数的增加而减小(降额特性)，较易老化。TVS管的非线性特性和稳压管完全一样，动态电阻较小，限制电压较低，且不易老化，使用寿命长，但通流能力较小(10/1000μs波峰值电流在几A至几百A之间)。再有就是反应速度不同，TVS管的反应速度极快，为ps级，而压敏电阻反应速度稍慢，为ns级。

3 防过流元件类和过热保护元件

3.1 防过流元件分类

防过流元件有自恢复保险丝、电流保险丝、电阻，防过热保护和过热检测元件有温度保险管和温度保险丝。。

3.2 自恢复保险丝

3.2.1 定义

自恢复保险丝是一种正温度系数热敏电阻，当流过它的电流小于其保持电流时(温度较低)，它的阻值很小;当流过它的电流超过其触发电流时(温度升高)，它的阻值急剧增大，从而阻断雷电流的继续侵入或者电路的续流，温度降低后能自行恢复。但由于热惰性，其反应速度很慢，一般为秒级(流过的电流越大或温度越高，反应越快)。自恢复保险丝可以用于代替电流保险丝，免除经常更换的麻烦。

3.2.2 自恢复保险丝的主要参数

① 保持电流(ih)：25℃静止空气环境中不触发电阻突越的最高电流。

② 触发电流(it)：25℃静止空气环境中ptc 聚合物自复保险丝从低阻转为高阻抗的最小电流。

③ 最大电压(vmax)：ptc聚合物自复保险丝的最大工作电压。

④ 最大电流(imax)：ptc聚合物自复保险丝能承受的最大电流。

⑤ 动作功率(pdtyp.)：25℃环境温度时ptc聚合物自复保险丝动作状态下的消耗功率。

⑥ 动作时间(ttrip)：5倍保持电流下最大动作时间。。

3.3 电流保险丝

3.3.1 电流保险丝原理

保险丝通电时，由电能转换的热量使可熔体的温度上升。正常工作电流或允许的过载电流通过时，产生的热量通过可熔体、外壳体向周围环境辐射，通过对流、传导等方式散发的热量与产生的热量逐渐达到平衡。如果产生的热量大于散发的热量，多余的热量就逐渐积聚在可熔体上，使可熔体温度上升;当温度达到和超过可熔体的熔点时，就会使可熔体熔化、熔断而切断电流，起到了安全保护电路的作用。

3.3.2 电流保险丝的主要技术参数

① 额定电流：保险丝管的公称工作电流(正常条件下，保险丝长期维持正常工作的最大电流)。

② A 0 F}4额定电压：保险丝的公称工作电压(保险丝断开瞬间，能安全承受的最大电压)。选用保险丝时，被选用保险丝的额定电压，应大于被保护回路的输入电压。

③ 分断能力：当电路中出现很大的过载电流(如强短路)时，保险丝能安全切断(分断)电路的最大电流。它是保险丝最重要的安全指标。安全分断是指在分断电路中不发生喷溅、燃烧、爆炸等危及周围元、部件以至人身安全的现象。

④ 过载能力(承载能力)：保险丝能在规定时间内维持工作的最大过载电流。当流经保险丝的电流超过额定电流时，一段时间后熔体温度将逐渐上升以至最后被熔。UL标准规定：保险丝维持工作4小时以上，最大不熔断电流是额定电流的110%(微型保险丝管为100%);IEC标准规定：保险丝维持工作1小时以上，最大不熔断电流是额定电流的150%

⑤ 熔断特性(I-T)：保险丝所加负载电流与保险丝熔断时间的关系。

3.4 电阻

3.4.1 电阻的工作原理

在电子电路中常用的电阻器有固定式电阻器和电位器，按制作材料和工艺不同，固定式电阻器可分为：膜式电阻(碳膜RT、金属膜RJ、合成膜RH和氧化膜RY)、实芯电阻(有机RS和无机RN)、金属线绕电阻(RX)、特殊电阻(MG型光敏电阻、MF型热敏电阻)四种。

3.4.2 电阻的主要技术参数

① 电阻和阻值：导电材料在一定程度上阻碍电流流过的物理性能。在保证测试灵敏度的情况下，应注意测试电压应绝对的低，时间尽量短，避免电阻发热引起误差。并使测量功率小于额定功率的10%。

② 标称电阻及允差：即实际值与标称值之间的差别。

③ 额定功率：在正常大气压力(650-800mmhg)和额定温度下，长期连续工作并能满足性能要求所允许的最大功率。

④ 额定电压：由阻值和功率换算的电压，考虑到电击穿，上升到一定值后，受最大工作电压的限制。

⑤ 最大工作电压：由于尺寸结构的限制所允许的最大连续工作电压。

⑥ 温度系数：在某一规定的环境温度范围内，温度改变1度电阻的变化量。

⑦ 绝缘电阻：在正常大气压力下，电阻引线与电阻壳体之间的绝缘电阻。