硬件知识累计 TVS管选型 防止浪涌

1. 首先了解 浪涌

1.1 浪涌是什么

浪涌(electrical surge),顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值,它包括浪涌电压和浪涌电流。

浪涌也叫突波,顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲,浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有:重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量,以保护连接设备免于受损。


1.2 浪涌电流 (浪涌电压)

电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压,这种瞬时过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流),是一种瞬变干扰。


1.3 浪涌是怎么形成的

浪涌也叫突波,就是超出正常电压的瞬间过电压,一般指电网中出现的短时间象"浪"一样的高电压引起的大电流。从本质上讲,浪涌就是发生在仅仅百万上之一秒内的一种剧烈脉冲。浪涌电压的产生原因有两个,一个是雷电,另一个是电网上的大型负荷接通或断开(包括补偿电容的投切)时产生的。

(1)雷电是自然界发生的极为强烈的电磁暂态过程。主要通过两个个渠道对电力自动化设备产生影响。一是雷电直接击中变电站或调度中心的避雷针、避雷线,产生的瞬变电磁场对周围空间范围的电子设备的电磁作用,对封闭的金属回路产生压电流,对开口的金属回路产生感应电动势。由于雷电电磁脉冲的作用十分强烈,感生的电压可能很高。经地线泄放入地的雷电流引起地网电压升高,在接地系统中各接地点间产生很大的电压差,它们都可能对自动化设备造成干扰,轻则影响正常运行,严重的则会引起设备损坏。二是雷电在线路上空的雷云之间放电,或对线路附近的大地放电,都会使线路因电磁感应产生雷电冲击波或浪涌电压,这种冲击波会沿着线路入侵到与之相连拉电力自动化设备,造成工作错误或设备损坏。若雷电直接击中线路时,产生的浪涌电压更为强烈,危害更大。

(2)当某些大容量的电气设备接通或断开时间,由于电网中存在电感,将在电网产生"浪涌电压",从而引发浪涌电流。一般不管设备容量大小,都会存在浪涌电压,问题是小容量的设备产生的浪涌电压较小,不会产生多大的危害,因此常常被人们所忽略。在脱线变换器启动期间,因对大容量电容器充电会产生一个大电流。这个大电流比系统正常电流大几倍乃至几十倍(即所谓浪涌电流),而这可能使AC线路的电压降落,从而影响连接在同一AC线路上的所有设备的运行,有时会烧断保险丝和整流二极管等元件。操作方式和故障形式的多样性决定了操作过电压的不同类别,主要有:中性点不接地系统中的弧光接地过电压,空载线路的合闸过电压,空载线路、空载母线和电容器分闸时的开断电容负载过电压,空载变压器、电抗器和电动机分闸时的开断电感负载过电压等等


1.4 浪涌的危害

造成浪涌(瞬变脉冲)的原因包括闪电、接地不良、感性负载切换、市电故障排除以及 静电放电(ESD),其结果可能会造成数据丢失(或损坏)甚至设备的损毁。而其中以闪电破坏性最强。闪电击中以及触点开关产生的瞬间放电或电弧放电引起的电涌,从现象上看有:

飞弧:在被损的部件上留下明显的电弧痕迹;

 电晕:在绝缘体表面上,有明显的电蚀痕迹,被蚀部位绝缘下降;

 控制电路的IC等元件损坏;(这个最危险)

 一般电子设备、家用电器的整流元件、稳压元件损坏;

 接地故障成设备带电(单相接地):造成设备相间短路(电机相间短路)。


1.5 防止浪涌的操作

  1. 器件保护 (器件供电)

  2. 分级保护 (大功率输电)

1.5.1 器件保护

1.放电间隙(又称保护间隙)

  1. 气体放电管

  2. 压敏电阻

  3. 抑制二极管 (TVS)

5.扼流线圈

  1. 1/4波长短路器

1.5.2 分级防护

  1. 第一级保护

  2. 第二级防护

  3. 第三级保护

4.第四级及以上保护

1.5.3 防护浪涌的工作原理

⒈开关型:其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗,但一旦响应雷电瞬时过电压时,其阻抗就突变为低值,允许雷电流通过。用作此类装置时器件有:放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

⒉限压型:其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰,但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小,其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有:氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。

⒊分流型或扼流型

分流型:与被保护的设备并联,对雷电脉冲呈现为低阻抗,而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型:与被保护的设备串联,对雷电脉冲呈现为高阻抗,而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类装置的器件有:扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

参考文章: 浪涌(物理术语)_百度百科 (baidu.com)

想详细了解的需要观看上面的参考文章。



2. 防浪涌器件 TVS 选型与介绍

2.1 TVS 主要参数的含义

  1. VBR : 反向击穿电压 (当TVS 两端的电压达到这个值的时候, TVS 二极管呈现低阻值的导通状态。)

  2. VRWM : 最大反向工作电压 。(当 TVS 两端的电压在这个电压值及一下时,TVS 二极管呈现 高阻值的断路状态 就是二极管的不导通状态。)

直流供电时 :Vrwm 值≥ 电路能工作的最大电压。

  1. VC : 最大箝位电压 (就是有时候 TVS 反应不及时电压会达到这个值, 这个值应该小于芯片可以承受的最大电压)

  2. IPP : 最大反向脉冲峰值电流 (它指的是瞬态抑制二极管在受到电压脉冲冲击时,能够瞬时承受的最大电流。IPP通常以安培(A)为单位,并且其数值取决于具体的瞬态抑制二极管型号和规格)

  3. IR : 最大反向漏电流 (TVS二极管在不导通状态下流过的电流,电流值非常小,也叫待机电流。) (这个越小越好)

  4. Ppp: 最大峰值脉冲功率 (PPP通常是最大峰值脉冲电流IPP与箝位电压VC的乘积,也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS管能承受的最大峰值脉冲功耗值。)

7.Rd : TVS内部阻值

8.结电容 : 当TVS管用于信号电路保护时,一定要注意TVS的结电容对信号传输或信号质量有影响。当信号频率或传输速率较高时,应选用低电容系列的TVS管。

TVS结电容容值与信号传输速率对应要求关系如后图所示,对应频率下,TVS结电容容值应不超过限制线。

第8点的图 去这个网址观看TVS管选型要点_哔哩哔哩_bilibili


2.2 TVS 参数的计算方法

  1. Ppp (最大峰值脉冲功率) = IPP * VC (最大峰值脉冲电流 乘 最大箝位电压)

2.3 选型 TVS 管 需要确定的数据

  1. 电路的正常工作电压

  2. 电路能承受的最高电压 (就是短时间内不会损坏器件,器件还能工作的电压)(VRWM)


2.4 立创 TVS管选择

假设: 电路的正常工作电压为4V , 最大工作电压为 5V ,最大峰值脉冲电流为50A 。

VRWM =5V

那么: VBR = VRWM * 1.2 = 5V * 1.2 =6V , VC = 9V

注意: VBR 可以比预估的大,但是不可以比预估数值小。

注意: VC 适配最好。


2.5 只知道 电路正常电压计算别的参数。

  1. 正常工作电压 12V (已知)

  2. 设 VRWM = 13V (推理)

  3. VBR = VRWM * 1.2 = 15.6 (推理)

  4. VC = VBR * 1.3 = 20.28V 约等于 20V (推理)

  5. 其他的知道再补充!!

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