瞬態(tài)抑制器件

瞬態(tài)抑制器件可以顯著減少由于過(guò)電壓尖峰和浪涌而釋放的能量。

我們傾向于認(rèn)為用于為電路供電的交流或直流電源都是干凈且調(diào)節(jié)良好的電源。然而，交流感性負(fù)載的開(kāi)關(guān)或直流繼電器觸點(diǎn)和直流電機(jī)的開(kāi)關(guān)都會(huì)導(dǎo)致電源質(zhì)量難以維持，因此需要瞬態(tài)抑制器件。

當(dāng)某種形式的感性或無(wú)功負(fù)載（如電機(jī)、螺線管線圈或繼電器線圈）突然關(guān)閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感性開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。其磁場(chǎng)的迅速崩潰會(huì)感應(yīng)出一個(gè)瞬態(tài)電壓，該電壓會(huì)疊加到穩(wěn)態(tài)電源上。這些感性開(kāi)關(guān)電壓瞬態(tài)可以達(dá)到數(shù)千伏。

瞬態(tài)是由于先前存儲(chǔ)的能量（無(wú)論是感性還是容性）突然釋放而在電路中產(chǎn)生的非常陡峭的電壓階躍，導(dǎo)致高電壓瞬態(tài)或浪涌的產(chǎn)生。由于某些開(kāi)關(guān)動(dòng)作，能量突然釋放回電路，產(chǎn)生一個(gè)陡峭的能量脈沖形式的瞬態(tài)電壓尖峰，理論上可以是任何無(wú)限值。

這種高dv/dt瞬態(tài)開(kāi)關(guān)尖峰可以存在非常短的時(shí)間（毫秒或微秒），或者它們可以在短時(shí)間內(nèi)偶爾發(fā)生，例如每天隨機(jī)兩到三次。

我們還必須認(rèn)識(shí)到，電壓瞬態(tài)并不總是從零伏或一個(gè)周期的開(kāi)始，而是可以疊加到另一個(gè)電壓水平上。無(wú)論哪種方式，瞬態(tài)都是有害的，因?yàn)樗鼈兛赡軗p壞電子設(shè)備，因此需要被抑制和控制。

瞬態(tài)抑制器件可以采取多種形式，從電弧觸點(diǎn)到濾波器，再到固態(tài)半導(dǎo)體器件。分立半導(dǎo)體瞬態(tài)抑制器件，如金屬氧化物壓敏電阻（MOV），是目前最常見(jiàn)的，因?yàn)樗鼈兙哂懈鞣N能量吸收和電壓額定值，可以嚴(yán)格控制不需要且可能具有破壞性的瞬態(tài)或過(guò)電壓尖峰。

瞬態(tài)抑制器件可以與負(fù)載串聯(lián)使用，以衰減或減少瞬態(tài)的能量值，防止其通過(guò)電路傳播，或者它們可以與負(fù)載并聯(lián)使用，將瞬態(tài)轉(zhuǎn)移，通常是接地，從而限制或鉗位剩余電壓。

電壓瞬態(tài)的衰減通常通過(guò)使用與負(fù)載電路串聯(lián)的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓瞬態(tài)發(fā)生時(shí)，它通常是一個(gè)快速移動(dòng)的高頻尖峰，因此濾波器會(huì)衰減或阻止這種高頻瞬態(tài)，同時(shí)仍然允許低頻功率或信號(hào)分量繼續(xù)不受干擾。瞬態(tài)衰減器的一個(gè)很好的例子是帶有濾波器的電源延長(zhǎng)線。

轉(zhuǎn)移瞬態(tài)通常通過(guò)使用電壓鉗位型器件或通常稱為撬棒型器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些并聯(lián)連接的器件表現(xiàn)出非線性阻抗特性，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它們的電流與它們端子上的電壓不成線性關(guān)系，如歐姆定律所述。

電壓鉗位器件，如MOV，具有可變阻抗，取決于通過(guò)器件的電流或端子上的電壓。在正常穩(wěn)態(tài)工作條件下，器件提供高阻抗，因此對(duì)連接的電路沒(méi)有影響。

然而，當(dāng)電壓瞬態(tài)發(fā)生時(shí)，器件的阻抗會(huì)發(fā)生變化，隨著電壓的上升，通過(guò)器件的電流增加。結(jié)果是瞬態(tài)電壓的明顯鉗位。鉗位器件的伏安特性通常是時(shí)間依賴的，因?yàn)殡娏鞯拇蠓黾訉?dǎo)致器件耗散大量能量。

撬棒器件是另一種瞬態(tài)抑制器件，由于開(kāi)關(guān)型開(kāi)啟動(dòng)作，它將過(guò)電壓尖峰從電路中轉(zhuǎn)移出去。撬棒器件的操作類似于齊納二極管，在正常穩(wěn)態(tài)條件下，它們對(duì)電路沒(méi)有影響。當(dāng)檢測(cè)到瞬態(tài)時(shí)，它們迅速“開(kāi)啟”，提供非常低的阻抗路徑，將瞬態(tài)從并聯(lián)連接的負(fù)載轉(zhuǎn)移出去。

然后，分立瞬態(tài)抑制器件可以根據(jù)其連接類型和操作分為三個(gè)基本類別。

串聯(lián)（阻塞）連接的低通濾波器。

并聯(lián)（分流）連接的電壓鉗位器和電壓削波器。

并聯(lián)（分流）連接的撬棒器件。

這可以表示為：

瞬態(tài)抑制器件

瞬態(tài)抑制器件

串聯(lián)瞬態(tài)抑制濾波器

交流電源線上的瞬態(tài)可以從幾伏到超過(guò)正常電源電壓的幾千伏不等。用于衰減或阻止這些瞬態(tài)的抑制器件使用濾波器電路，通過(guò)在連接的負(fù)載中插入100Hz濾波器，有效地消除這些電源產(chǎn)生的瞬態(tài)。

快速開(kāi)關(guān)電壓瞬態(tài)的頻率分量可能遠(yuǎn)高于交流電源的緩慢移動(dòng)基頻。因此，衰減和控制這些不需要的瞬態(tài)的一個(gè)明顯選擇是在電源和負(fù)載之間使用低通濾波器部分。

低通濾波器，如LC濾波器，可以用于衰減任何高頻瞬態(tài)，并允許低頻功率或信號(hào)不受干擾地通過(guò)。瞬態(tài)抑制濾波器的最簡(jiǎn)單形式是直接跨接在電源線上的電阻-電容RC濾波器，以衰減任何高頻瞬態(tài)。

用于交流電源應(yīng)用的濾波器通常由電感和電容組成，形成多級(jí)LC濾波器，其衰減程度取決于濾波器中的LC級(jí)數(shù)。一個(gè)典型的串聯(lián)連接的交流電源瞬態(tài)抑制濾波器如下所示。

典型的瞬態(tài)抑制濾波器

瞬態(tài)抑制濾波器

這個(gè)基本的兩級(jí)低通交流濾波器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)提供高插入損耗，通過(guò)阻止任何高頻瞬態(tài)和噪聲到達(dá)連接的負(fù)載設(shè)備，提供有效的瞬態(tài)電壓保護(hù)。此外，除了減少電壓尖峰和瞬態(tài)外，這些電源濾波器還可以幫助消除電源發(fā)出的任何射頻干擾或輻射。

電壓鉗位瞬態(tài)抑制器

電壓鉗位器用于限制電路上的瞬態(tài)幅度。當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值電壓時(shí)，電壓鉗位器件開(kāi)始導(dǎo)通，然后當(dāng)過(guò)電壓下降到其閾值水平以下時(shí)，返回到非導(dǎo)通模式。因此，過(guò)電壓尖峰被鉗位器件削波到安全水平。

電壓鉗位器件通?？缃釉陔娫瓷喜⑴c負(fù)載并聯(lián)，以保護(hù)其免受任何不需要的高dv/dt電壓瞬態(tài)的影響。電壓鉗位器可以像跨接在直流電源上的齊納二極管一樣簡(jiǎn)單，但對(duì)于雙向交流電源，我們需要使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、抑制二極管或電壓依賴電阻（VDR）進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。

請(qǐng)注意，電壓鉗位器件會(huì)轉(zhuǎn)移浪涌電流，它們不會(huì)像濾波器那樣吸收它們，因此必須小心確保用于轉(zhuǎn)移瞬態(tài)的路徑不會(huì)產(chǎn)生或創(chuàng)建自己的電路問(wèn)題。

齊納二極管瞬態(tài)抑制器

齊納二極管用于直流電源（單向）的保護(hù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谡蚱梅较蛏媳憩F(xiàn)得像普通二極管，但在反向偏置方向上會(huì)擊穿并導(dǎo)通。因此，齊納二極管的反向擊穿電壓VZ可以用作參考或鉗位電壓水平。

在反向方向上且低于其齊納擊穿電壓VZ時(shí)，齊納二極管對(duì)電源表現(xiàn)出高阻抗，并且導(dǎo)通的漏電流非常小。然而，當(dāng)齊納二極管上的電壓大于其齊納電壓時(shí)，它開(kāi)始擊穿，隨著電壓的增加，其導(dǎo)通逐漸增加，對(duì)過(guò)電壓瞬態(tài)表現(xiàn)出非常低的阻抗路徑。

齊納瞬態(tài)抑制

齊納二極管瞬態(tài)抑制

當(dāng)跨接在電源或受保護(hù)的組件上時(shí)，齊納二極管實(shí)際上是“不可見(jiàn)的”，直到瞬態(tài)電壓出現(xiàn)，因?yàn)樵谄浞聪驌舸╇妷阂韵滤哂懈咦杩?，而在其反向擊穿電壓以上具有低阻抗?/p>

當(dāng)齊納二極管處于擊穿操作模式時(shí)，即在抑制瞬態(tài)時(shí)，二極管會(huì)立即鉗位過(guò)電壓，將尖峰限制在安全水平，然后在瞬態(tài)電壓低于齊納電壓VZ時(shí)恢復(fù)正常。因此，鉗位電壓VC等于齊納二極管的反向擊穿電壓。由于這些鉗位特性，齊納二極管用于抑制瞬態(tài)，因?yàn)樗鼘撛诘挠泻﹄娏縻Q位遠(yuǎn)離受保護(hù)的負(fù)載。

齊納二極管的浪涌電流和功率能力與其結(jié)面積大致成正比。大多數(shù)齊納二極管設(shè)計(jì)用于低功率和低電壓水平。設(shè)計(jì)用于在更高電壓水平下運(yùn)行并吸收更高浪涌電流而不會(huì)損壞的齊納二極管稱為雪崩二極管。

我們之前說(shuō)過(guò)，由于其正向偏置二極管特性，單個(gè)齊納二極管只能用于穩(wěn)態(tài)直流電源的瞬態(tài)抑制。但通過(guò)將兩個(gè)齊納二極管“背對(duì)背”連接，我們可以在雙向交流電源上使用它們的鉗位特性。

齊納瞬態(tài)抑制

背對(duì)背齊納二極管瞬態(tài)抑制

通過(guò)將兩個(gè)齊納二極管背對(duì)背連接，我們現(xiàn)在可以用一個(gè)齊納二極管保護(hù)正半周期免受過(guò)電壓瞬態(tài)的影響，用另一個(gè)齊納二極管保護(hù)負(fù)半周期。

如果兩個(gè)齊納二極管的反向擊穿電壓相同，則無(wú)論極性的瞬態(tài)電壓都將被鉗位在相同的齊納電壓水平，因?yàn)橐粋€(gè)齊納二極管將有效地處于其反向偏置模式，而另一個(gè)將處于其正向偏置模式。

雖然兩個(gè)背對(duì)背的齊納二極管可以用于交流電源的瞬態(tài)抑制，但瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）器件具有內(nèi)置的反向結(jié)，使其成為交流電源應(yīng)用的理想選擇。雙向雪崩二極管有多種電壓和功率水平可供選擇。

MOV瞬態(tài)抑制器

雖然齊納二極管和快速恢復(fù)雪崩二極管動(dòng)作迅速且能有效鉗位過(guò)電壓，但最常見(jiàn)的過(guò)電壓抑制鉗位技術(shù)是使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。除了其高電壓額定值外，金屬氧化物壓敏電阻能夠處理更大的浪涌電流，盡管速度較慢，并且可以用于直流和交流電源線，以保護(hù)免受電壓極端情況（如過(guò)電壓瞬態(tài)）的影響。

MOV是一種半導(dǎo)體電壓依賴型可變電阻，它與負(fù)載或要保護(hù)的組件并聯(lián)（分流）。MOV在低電壓下具有高電阻，在高電壓下具有低電阻，其非線性電壓-電流特性使其在防止電源線浪涌和過(guò)電壓瞬態(tài)方面非常有用。

MOV的行為類似于背對(duì)背的齊納二極管，因?yàn)樗鼈兛梢杂糜陔p向電壓鉗位，隨著電壓的增加，瞬態(tài)的導(dǎo)通增加。這些小型盤狀金屬氧化物壓敏電阻在兩個(gè)方向上提供高擊穿電壓，并且可以吸收更多的能量，通常以焦耳而不是瓦特為單位進(jìn)行額定。

MOV瞬態(tài)抑制

MOV瞬態(tài)抑制

作為電壓鉗位器件，金屬氧化物壓敏電阻在其端子上的電壓低于其預(yù)定擊穿值時(shí)提供非常高的電阻，更像是一個(gè)電壓依賴電阻（VDR）。當(dāng)暴露于任一極性的高瞬態(tài)電壓時(shí)，器件的電氣特性發(fā)生變化，其電阻變得非常小，將電壓鉗位到安全水平。

因此，金屬氧化物壓敏電阻用作瞬態(tài)抑制器件的主要目的是將其上的電壓鉗位到安全水平，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中，器件與要保護(hù)的電路或器件并聯(lián)。

撬棒瞬態(tài)抑制器

另一種并聯(lián)（分流）連接的瞬態(tài)抑制器件稱為撬棒保護(hù)。電子撬棒器件在超過(guò)預(yù)設(shè)閾值電壓時(shí)通過(guò)觸發(fā)到導(dǎo)通狀態(tài)而導(dǎo)通，導(dǎo)致電壓降僅為幾伏，因此得名撬棒。

撬棒器件和電路在達(dá)到觸發(fā)電壓時(shí)有效地創(chuàng)建短路，通常出現(xiàn)在設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生固定輸出電壓的穩(wěn)壓電源中，例如恒定的12伏或5伏，但也可以用于保護(hù)電路或負(fù)載免受瞬態(tài)過(guò)電壓的影響。

基于半導(dǎo)體的有源撬棒電路與負(fù)載并聯(lián)（分流），能夠衰減非常大的浪涌電流。晶閘管通常用于撬棒電路，因?yàn)樗鼈兙哂械汀皩?dǎo)通狀態(tài)”電壓，并且可以將電壓水平保持在遠(yuǎn)低于損壞水平。一旦觸發(fā)，它們可以將大量瞬態(tài)能量通過(guò)自身轉(zhuǎn)移到地，因?yàn)樗鼈兂洚?dāng)非常低阻抗類型的開(kāi)關(guān)。

這里的缺點(diǎn)是，如果沒(méi)有提供額外的換向電路來(lái)在“開(kāi)啟”后關(guān)閉撬棒鉗位，這種短路可能會(huì)導(dǎo)致電路保險(xiǎn)絲或斷路器操作，特別是在直流系統(tǒng)中，因?yàn)殡娫幢磺税羝骷搪?，輸出電壓將因此為零?？紤]下面的簡(jiǎn)單撬棒鉗位電路。

基本撬棒鉗位電路

撬棒鉗位電路

這里，晶閘管或SCR跨接在電源和負(fù)載上，由電阻R1和R2設(shè)置的分壓電路將晶閘管的柵極偏置在足夠低的水平，以便在正常操作期間不會(huì)觸發(fā)“開(kāi)啟”。然后SCR被切斷并不導(dǎo)通。

然而，當(dāng)過(guò)電壓瞬態(tài)發(fā)生并上升到預(yù)定水平以上時(shí)，電阻R2上的電壓降也增加，并足以觸發(fā)SCR的柵極導(dǎo)通，從而鉗位瞬態(tài)電壓，保護(hù)負(fù)載。這里的問(wèn)題是，雖然負(fù)載受到過(guò)電壓的保護(hù)，但它不保護(hù)電源，從而燒斷電源的保險(xiǎn)絲。然后，通過(guò)短路電源來(lái)保護(hù)負(fù)載免受瞬態(tài)的影響可能比觸發(fā)它的事件更大。

除了使用晶閘管外，對(duì)于交流電源的過(guò)電壓保護(hù)，三端雙向可控硅（triac）可以用作撬棒器件，并以類似的方式觸發(fā)導(dǎo)通。使用晶閘管或三端雙向可控硅進(jìn)行交流電源的撬棒保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是，它們會(huì)在每個(gè)半周期自動(dòng)關(guān)閉。

因此，如果持續(xù)幾分之一毫秒的短時(shí)瞬態(tài)觸發(fā)撬棒器件，分流動(dòng)作只會(huì)將連接的交流電源線短路至少一個(gè)半周期，這可能太快，保險(xiǎn)絲來(lái)不及熔斷。

齊納撬棒瞬態(tài)抑制器

我們可以通過(guò)使用齊納二極管檢測(cè)過(guò)電壓條件來(lái)改進(jìn)上述基本撬棒電路的瞬態(tài)感應(yīng)和性能。這里，電阻分壓電路已被齊納二極管取代，如下所示。

齊納撬棒鉗位電路

齊納撬棒鉗位電路

直流電源電壓VS由齊納二極管監(jiān)控，齊納二極管充當(dāng)瞬態(tài)檢測(cè)組件，其齊納電壓VZ額定值決定了SCR開(kāi)啟的電壓水平。當(dāng)直流電源電壓低于齊納二極管的反向偏置額定值時(shí)，齊納二極管不導(dǎo)通，因此沒(méi)有電壓或電流施加到SCR的柵極，因此保持“關(guān)閉”，不導(dǎo)通。

如果電源電壓增加到齊納電壓額定值以上，如在過(guò)電壓瞬態(tài)的情況下，齊納二極管開(kāi)始導(dǎo)通，允許柵極電流流入SCR，將其“開(kāi)啟”并短路負(fù)載電源電壓并燒斷保險(xiǎn)絲。然后，負(fù)載受到高于齊納電壓VZ的瞬態(tài)電壓的保護(hù)，因?yàn)辇R納二極管僅攜帶SCR開(kāi)啟的柵極電流，而SCR本身將攜帶大部分分流電流。

雖然這個(gè)齊納撬棒電路是對(duì)基本分壓網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)，但它存在軟開(kāi)啟動(dòng)作的問(wèn)題，因?yàn)辇R納擊穿電壓的膝部是彎曲的而不是急劇上升。可以通過(guò)在檢測(cè)和觸發(fā)電路中添加一些電壓增益來(lái)進(jìn)一步修改和改進(jìn)基本撬棒電路，例如單個(gè)放大器電路或運(yùn)算放大器電路。

為此，設(shè)計(jì)了具有內(nèi)置過(guò)電壓觸發(fā)器的晶閘管，以撬棒單向或雙向瞬態(tài)和電壓浪涌。例如，RCA SK9345系列IC撬棒設(shè)計(jì)用于保護(hù)15伏電源，SK9346保護(hù)112伏電源，SK9347保護(hù)115伏電源。

所有這些都使用帶有內(nèi)置齊納二極管、晶體管和SCR的集成電路。MC3423過(guò)電壓撬棒感應(yīng)電路是一個(gè)設(shè)計(jì)用于與外部撬棒SCR一起使用的單一IC。

瞬態(tài)抑制器件總結(jié)

隨著我們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂酶嗟碾娮釉O(shè)備，我們?cè)絹?lái)越依賴過(guò)電壓保護(hù)器件來(lái)保護(hù)我們的設(shè)備免受電壓尖峰和浪涌的影響。瞬態(tài)過(guò)電壓通常由感性或容性開(kāi)關(guān)電路引起，這些電路會(huì)釋放突然的高電壓尖峰。

這些電壓尖峰和浪涌可以在短時(shí)間內(nèi)由高能量組成，或者在短時(shí)間內(nèi)間歇性地組成，并疊加在穩(wěn)態(tài)值（如交流電源波形）之上。

過(guò)電壓保護(hù)電路可以采取多種形式，從串聯(lián)連接的濾波器（設(shè)計(jì)用于通過(guò)電源線頻率電壓和電流，同時(shí)拒絕不需要的高頻諧波和噪聲）到并聯(lián)連接的鉗位和撬棒電路（將過(guò)電壓耗散到地）。

最簡(jiǎn)單的交流電源線濾波器是跨接在電壓源上的電容器。電容器的阻抗變化導(dǎo)致高頻瞬態(tài)的衰減。在大多數(shù)應(yīng)用中，瞬態(tài)抑制器件與受保護(hù)的負(fù)載并聯(lián)，或與某些要保護(hù)的組件并聯(lián)。

電壓抑制電路的主要目的是將電壓鉗位到安全水平。最常見(jiàn)的電壓鉗位器件形式是金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和齊納二極管。MOV最適合用于雙向交流電源的保護(hù)，而齊納二極管最適合用于較小的低能量直流電源。

使用SCR或三端雙向可控硅作為“撬棒”的固態(tài)撬棒電路迅速短路電源上的電壓瞬態(tài)，燒斷保險(xiǎn)絲以進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。混合瞬態(tài)/浪涌保護(hù)器將撬棒與鉗位結(jié)合，或?qū)Q位/撬棒與濾波器結(jié)合在一個(gè)模塊中，有許多不同的組合是可能的。