专注SIP通讯产品与方案

安防视频监控系统抗雷电过电压的基本元器件


本文仅对视频监控系统中常用到的低压电源避雷器、网络避雷器、信号避雷器、同轴电缆避雷器、插拔式信号避雷器等中的抗浪涌能力较强的器件做一介绍。

一、气体放电管

气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件,它在信息系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级,起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大,寄生电容很小,对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。

放电管的工作原理是气体放电。当放电管两极之间施加一定电压时,便在极间产生不均匀电场,在此电场作用下,管内气体开始游离,当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时,两极之间的间隙将放电击穿,由原来的绝缘状态转化为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平,这种残压一般很低,从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。

在采用合适的材料后,放电管可以做到导通10kA、8/20ps电流数百次。在电弧区,放电管两端的电压基本上与通过的电流无关,在管内充以不同惰性气体并具有不同的气压,电弧压降常在10~30V。管子工作在电弧区就可以将电压箝制在较低的水平,从而达到过电压保护的目的。

二、压敏电阻

压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻,它对电压十分敏第4章安防视频监控系统前端配套设备感,所以称为压敏电阻。氧化锌晶粒是一种导电性能良好的材料,其电阻率约为0.003Ω・m,而晶界层的电阻率高达108~109Ω・m。当晶界层上的电场强度较低时,只有少量的电子靠热激发才能够穿过晶界层的势垒,所以此时的压敏电阻呈现出高阻状态。当晶界层上的电场强度足够大时,产生隧道效应,大量电子可以通过晶界层,电阻将大幅度降低。

由于压敏电阻具有非线性特性好、通流容量大、常态泄漏电流小、残压水平低、动作响应快和无续流等诸多优点,目前已被广泛地应用于电子设备的雷电防护中。

压敏电阻在通过持续大电流后其自身的性能要退化,将压敏电阻与放电管并联起来,可以克服这一缺点。因为在放电管尚未放电导通之前,压敏电阻就开始动作,对暂态过电压进行箝位,泄放大电流。当放电管放电导通后,它将与压敏电阻进行并联分流,减小了对压敏电阻的通流压力,从而缩短了压敏电阻通大电流时间,有助于减缓压敏电阻的性能退化。但这种并联组合电路并没有解决放电管可能产生的续流问题,因此不宜应用于交流电源系统的保护。

由于放电管的寄生电容很小,而压敏电阻有较大的寄生电容,它们串联可使总电容减到几个微微法。在这种串联支路中,放电管起开关作用,当没有暂态过电压作用时,它能够将压敏电阻与系统隔离开,使压敏电阻中几乎无泄漏电流,这就能降低压敏电阻的参考电压,从而能较为有效地减缓压敏电阻性能的衰退。

三、暂态抑制二极管

(1)齐纳二极管与雪崩二极管。由于齐纳二极管和雪崩二极管具有箝位电压低和动作响应快等显著优点,它们特别适用多级保护电路中的最末几级保护元件,也能与其他保护元件配套组成专用的防雷保护装置。相对于气体放电管和压敏电阻来说,齐纳二极管和雪崩二极管的响应时间是比较短的,可达数十个ps。齐纳二极管的额定击穿电压(规定为1mA时的击穿电压)一般在2.9~4.7V,由于击穿电压较低,这种管子比较适合于那些耐压水平低的微电子器件(如高速CMOS集成电路)的暂态过电压保护。雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6~200V范围,一般用于多级保护电路的最末级,保护那些比较脆弱的电子器件。由于雪崩二极管的击穿电压较高,这种管子基本上不适应于保护耐压水平低的高速集成电路器件。

为了抑制正、负两种极性的暂态过电压,可以把两只雪崩二极管的阴极串联起来,并封装成一体即构成一只双阳极管子,如图1所示。

图1 双阳极管

这种双阳极管子的击穿电压与其中单个管子的击穿电压基本相同(偏差不超过±10%)。采用这种组装方式可以减小单个管子间连线的寄生电感,改善箝位效果,同时也能减小体积,目前已广泛应用。

(2)暂态抑制二极管。为改善对暂态过电压的抑制效果,提高电子设备的保护可靠性,已研制出一种专门用于抑制暂态过电压的新型暂态抑制二极管。与普通的齐纳二极管或雪崩二极管相比,这种管子具有更为优越的保护性能。

•具有较大的结面积,通流能力较强。

•管体内装有用特殊材料(铝或钨)制成的散热片,散热条件较好,有利于管子吸收较大的暂态功率。

•管子在抑制暂态过电压方面的特性在制造中得到了强调,制造厂在管子的使用说明手册中给出与抑制暂态过电压有关的性能参数。

需要指岀的是,由于暂态抑制二极管的结面积增大了,管子的寄生电容也就相应增大了,其值通常在5000~10000pF范围,这样大的寄生电容使得它不能用于频率较高的电子系统保护,为此可将它与普通二极管(寄生电容约为50pF)串联使用。

四、三种保护元件的性能的比较

气体放电管、压敏电阻和暂态抑制二极管的性能特点可大致归纳如表1所示。

表1 三种保护元件的性能比较
元件名称
项目
放电管 压敏电阻 暂态抑制二极管
泄漏电流
续流
寄生电容
响应时间 慢(1μs 较快(1ns) 快(几十ps)
通流容量 大(1~100kA) 大(0」~100kA) 较小(0.1~100kA)
老化现象 几乎没有
损坏形式 短路或开路 短路或开路 短路或开路
抗干扰能力 较强
箝位电压水平 放电电压高 中等
 

在使用时,可以根据被保护电子系统的具体保护要求,充分比较各种保护元件之间的性能差异,择优选择,合理使用,以提高保护可靠性。

对于一些脆弱电子设备的防雷保护来说,往往需要将几种保护元件组合起来,构成多级保护电路才能达到要求。在这类多级保护电路中,放电管常用作第一级,压敏电阻可用于第一、二级,而暂态抑制二极管一般用于最末一、二级。图2给出了一个采用放电管、压敏电阻和暂态抑制二极管的三级保护电路。

图2 三级保护电路

该电路在电子设备的防雷保护中是比较典型的-种常用保护电路,各级保护元件的箝位限压波形也同示于该图中。由各级限压波形可见,经三级保护元件的逐级限压,沿线路侵入的雷电暂态过电压波逐步被限制到-个很低的电压水平。这样,利用各级保护元件的配合,将幅值很高的雷电暂态过电压限制到电子设备可以耐受的低电压值,从而实现对电子设备的可靠保护。

五、阻抗元件与滤波器

构成防雷保护装置还经常要用到电阻、电感和电容等阻抗元件。以下将分别讨论一下。

(1)电阻元件。实际的电阻元件均存在着寄生电容和电感。寄生电容的典型平均值为1.6pF,在5MHz频率下,其容抗约为20kΩ,远大于那些防雷保护装置中常用的电阻元件阻值。寄生电感随电阻种类的不同而存在着差异,常用的碳合成电阻的寄生电感一般比较小,一只56Ω、0.25W的碳合成电阻的寄生电感仅为20nH;而绕线式电阻的寄生电感较大,常达到0.3-1pH。由于雷电暂态过电压波形中含丰富的高频分量,与电阻串联寄生电感的存在将使得整个支路的阻抗增大。阻抗的增大将有助于限制在暂态过程中流过电阻中的电流,这一点对于电阻在防雷保护装置中一般应用来说是有益的。

实践表明,碳合成电阻和绕线式电阻具有较大的暂态脉冲冲击耐受能力,适合防雷保护装置,而金属膜和碳膜电阻相对较弱,一般不用在防雷保护装置中。由于压敏电阻能在高电压下呈现小电阻,所以用作防雷保护装置中的并联元件。在暂态过电压保护应用中,还应用一种阻值随其两端电压升高而增大的正温度系数电阻,它一般作为保护装置中的串联元件。由于正温度系数电阻的阻值可以随温度升高而迅速增大,它能在保护装置中限制串联(横向)支路中的暂态大电流。通常,额定工作电压大于或等于150V(有效值)的正温度系数电阻,可以串于直流放电电压为90~150V放电管与低击穿电压值雪崩二极管等并联(纵向)保护元件之间。

(2)电感元件。电感线圈对暂态过电压波具有独特的折、反射特性,它能够降低折射波的波头上升陡度,减小过电压的危害程度,同时它也能够抬高入射波电压,改善接在它前面保护元件的动作特性,因此它在电子设备防雷保护装置中获得了较为广泛的应用。

实际的电感线圈存在着电阻和寄生电容,在低频时线圈呈现出感抗,其数值与频率基本成正比。当频率增大以后,电感匕与寄生电容将达到并联谐振,在并联谐振状态下线圈的阻抗达到最大值,并呈现出纯电阻性。当频率进一步增大到高于这一并联谐振频率以后,线圈将失去固有的电感特性,转而呈现出容性。因此,线圈的使用频率应低于其并联谐振频率。

共模扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件,在保护装置中常使用到这种器件。它由两个尺寸相同、匝数相同的线圈绕制在同一个铁氧体环形磁芯上,形成一个四端器件,如图3所示。

图3 共模扼流线圈

它对于共模信号呈现岀大电感,具有抑制作用,而对于差模信号则呈现出很小的漏电感,几乎不起作用。这种器件使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号,而对线路正常传输的差模信号无影响。

(3)电容元件。实际的电容器严格讲是一个RLC串联支路,其中的电容与寄生电感配合能够形成串联谐振,串联谐振的频率实际上就限定了电容器工作频率的上限。当工作频率高于这个串联谐振

频率时,电容器将失去固有的电容特性,转而呈现出感性阻抗。对图3共模扼流线圈于一些常用的非电解电容器,它们的工作频率上限一般在1~100MHz。对于额定直流击穿电压为100~600V的电容器,它们的实际击穿电压通常比它们的额定值大10倍左右。钮电解电容器上施加一个与正常工作电压同极性的脉冲电压时,所发生的击穿过程与雪崩二极管的类似,其击穿电压约为其最大工作电压的2~10倍。在一些可能超过电容最大额定工作电压的场合,需要采用具有自恢复性能的电容器,即为金属化聚合酯型电容器。

(4)熔断器。雷电暂态脉冲的持续时间虽短,但幅值很高,当高幅值的暂态大电流通过熔断器时,可以将熔断器熔断。一只额定电流为1A的熔断器在通过2A电流时其开断时间1~5s,而在通过10A电流时其开断时间仅为1~10ms。

熔断器作为纯串联元件使用,主要用于线路上的过流保护,熔断器与保护元件串联,其作用是对保护元件进行过流保护。

(5)低通滤波器。它是一种能够抑制高频信号而让低频信号通过的衰减型电路元器件,常用于电子设备电源的防雷保护。电源的频率很低(50Hz或直流),而雷电暂态过电压波形的频谱中含有丰富的高频分量,其不可忽略分量的频率一般在1~10MHz范围。

在电源与电子设备之间接入低通滤波器,能够对来自电源侧的暂态过电压进行衰减,保护滤波器后面的电子设备。构成低通滤波器的元件主要包括电感、电容、共模扼流线圈、放电管和压敏电阻等。用于保护目的的低通滤波器…般有下列两种。

①单型低通滤波器。有「形、π形和T形三种结构,如图4所示。

图4 最简单低通滤波器结构

由图4(从左到右)可见,最简单的低通滤波器有「形、π形和T形三种结构。在该图中,电感丄对高频信号起抑制作用,而电容则对高频信号起旁路分流作用,这样输出端中的高频信号就被大幅度消弱,而低频信号则能顺利通过。

这三种滤波器由于结构很简单,一般只接于单根电源线与地线之间。实际上,许多电源有三根或三根以上的引线,因此共模和差模暂态过电压能够在各引线上和各引线之间出现,在这种场合下,这三种滤波器就难以直接使用。

一种可接于三根引线之间的滤波器如图5所示。

图5 三端滤波器结构

这三根引线分别标为A、B和G,其中G为地线。该滤波器中使用的电感为一个共模扼流线圈,它对A、B引线上岀现的共模信号呈现岀高阻抗,而对线间的差模信号则呈出现很小的阻抗,电容C1和C2并于A、B引线之间,用于旁路差模高频信号。电容C3和C4分别并于引线A与地线G和引线B与地线G之间,用于旁路共模信号,C3和C4的电容值应选得相等,以避免由于它们的共模阻抗不平衡将共模过电压转化为差模过电压。扼流线圈的低值差模电感与C2构成对差模高频信号的衰减路径,而扼流线圈的高值共模电感与C3和C4构成对共模高频信号的衰减路径。G和C2的电容值一般为0.1~0.5μF,而C3和C4的典型值常在几到几十个nF,C3和C4的选择主要由电源的线对地之间允许的泄漏电流来具体确定。

②非线性型滤波器。图4和图5的滤波器的输入端电容(C或C1),最容易受到暂态过电压的损害,一旦它们被击穿,就会在滤波器中产生一个陡度du/dt很大的截波,滤波器对这种截波的衰减能力比较弱,但截波对滤波器后面的电子设备有威胁。因此,滤波器的输入端电容应采用耐压高的电容器,并尽量采用自恢复介质电容器。此外,串联电感线圈或扼流线圈受到过大的暂态过电压作用时会发生绝缘击穿,产生与线圈并联的电弧,从而可使暂态过电流能直接通过弧道传输到滤波器后面的电子设备上,损坏电子设备。

为保护滤波器中的元件,可在滤波器的输入端之前加一个保护元件。因保护元件具有非线性特性,所以将配备有保护元件的低通滤波器称为非线性滤波器,保护元件用无续流的压敏电阻来取代放电管。压敏电阻具有较大的寄生电容,这种电容可以用作滤波器中的电容元件。如一个非线性或n形滤波器中的两个电容可借用一两个压敏电阻的寄生电容,如图6所示。

图6 含压敏电阻的π形非线性滤波器

在这种插件式滤波器中,电感元件前后的两个压敏电阻套即能提供滤波器所需要的电容,又能提供对暂态过电压的两级抑制功能。实际上,这种滤波器就是一个兼备滤波衰减与限压泄流功能的保护装置。

六、固体放电管

固体放电管是一种新型的浪涌抑制器件,它是基于晶闸管的原理和结构的二端负阻器件。固体放电管的工作状态如同一个开关,没有浪涌时,其漏电流极小(<5μA),对系统无影响;一旦浪涌侵入,大于其断态峰值电压时,产生雪崩效应。当浪涌电流超过开关电流时,其电压即为导通电压(<5V),浪涌电流就此旁路,实现了能量转移,从而保护电子设备。浪涌之后,当电流降到最小维护电流值之下时,固体放电管自然恢复,回到阻断状态。

固体放电管兼有气体放电管和雪崩二极管的优点,如响应速度快(<1ns)、功耗低、吸收浪涌电流较大、重复性好等:缺点是在交流或直流电源主电路上要串联电阻或快速熔断器,用以限流,使浪涌后电流能回复到维持值以下。

上述几种器件各有其优缺点,为了获得最佳防雷效果,可综合其优点将几种浪涌抑制器组合在一起,构成一种多级保护的形式(二级或三级)。例如,对通信电源,可靠有效的防雷措施是采用三级保护,第一级用气体放电管,将大的浪涌电流限制到后续保护系统可允许的范围;第二级用压敏电阻;第三级用浪涌电压抑制器(雪崩二极管或固体放电管),使输出的箝位电压达到规定值。采用这种多级保护后,被保护的通信电源就不会因雷击而损坏。