陸億紅 浙江工業(yè)大學(xué)計算機(jī)系(310014)
徐錦才 水利部農(nóng)村電氣化研究所(310012)
摘要：隨著計算機(jī)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都不同程度地建立了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通信手段也越來越好，同時，由于雷擊而導(dǎo)致計算機(jī)與通信系統(tǒng)損壞的問題也越來越嚴(yán)重。
本文將對現(xiàn)有的避雷器件作比較分析，設(shè)計實用、有效的避雷系統(tǒng)，并提出計算機(jī)與通信系統(tǒng)的防雷要點。
1、引言
早期的電信設(shè)備是用諸如繼電器、線圈和真空管等元件組成的，這些傳統(tǒng)元件對于突波干擾是有一定的免疫力，但是，隨著這些傳統(tǒng)元件被更先進(jìn)的元器件及設(shè)備，如數(shù)字環(huán)路載體、多路調(diào)制器等所代替，特別是隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都不同程度地建立了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)這些智能設(shè)備免遭系統(tǒng)瞬態(tài)
干擾的影響就變得更加重要。本文將對現(xiàn)有的避雷器件作比較分析，設(shè)計實用的避雷系統(tǒng)，并對計算機(jī)房和通信設(shè)備系統(tǒng)提出防雷要點。
2、避雷器件與特性分析
避雷器件是指能吸收由于雷擊或操作過電壓引起的脈動能量，從而避免電子設(shè)備受損壞或避免壽命降低的器件，包括氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管和半導(dǎo)體放電管。
氣體放電管：氣體放電管由封裝在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距離的兩個電極組成。其電氣性能基本上取決于氣體種類、氣體壓力以及電極距離。如果發(fā)生電壓沖擊，電極間會產(chǎn)生某種電弧，電離氣體放電的路徑是由高阻抗轉(zhuǎn)向低阻抗。該放電過程阻止一個更高的沖擊幅值，此處的弧電壓大約降低10～30V。氣體放電管受到瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-6s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。
壓敏電阻：壓敏電阻或金屬氧化膜壓敏電阻允許標(biāo)志在其上的最大正弦交流工作電壓通過。任何高于這一標(biāo)志電壓值的電壓會被安全的轉(zhuǎn)換，受到瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-9s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。壓敏電阻可用于中等較高的電壓沖擊場合。
抑制二極管：抑制二極管與普通齊納二極管(穩(wěn)壓管)的工作原理類似。如果高于標(biāo)志在其上的擊穿電壓，二極管就會導(dǎo)通。與齊納管相比，抑制二極管(簡稱TVS)有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。它比使用壓敏電阻進(jìn)行浪涌保護(hù)優(yōu)越得多。具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、體積小等特點。其功能有：
(1)將TVS二極管加在信號及電源線上，能防止微處理器或集成電路因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。
(2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms；而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時，便會導(dǎo)致?lián)p壞。利用TVS二極管，可有效吸收對器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的雷擊等干擾。
(3)將TVS二極管連接在信號線及地之間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。 TVS電壓-電流特性曲線如圖1(a)所示。它的正向特性與普通二極管相同；反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖1(b)是TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。
在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過TVS的電流，由原來的反向漏電流ID上升到IR時，其兩極呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，TVS被擊穿。隨著脈沖峰值的出現(xiàn)，流過TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPP。在其兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下，爾后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的整體過程。
TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性兩種，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專用型器件。如，各種交流電壓保護(hù)器、4～20mA電流環(huán)保護(hù)器、數(shù)據(jù)線保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、電話機(jī)保護(hù)器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等。
半導(dǎo)體放電管：半導(dǎo)體放電管的工作狀態(tài)如同一個開關(guān)。在斷開狀態(tài)下，其漏電流IDRM極小(＜5μA)，不會影響與其并聯(lián)的被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)瞬間過電壓超過其斷態(tài)峰值電壓VDRM時，產(chǎn)生瞬間雪崩效應(yīng)，一旦瞬間電流超過開關(guān)電流IS，其電壓即降為導(dǎo)通電壓VT(＜5V)，大量的瞬間浪涌電流就此傍路，因而保護(hù)了并聯(lián)的敏感電子線路。浪涌之后，當(dāng)電流降到最小維持電流IH值之下時，半導(dǎo)體放電管自然恢復(fù)，回到其阻斷狀態(tài)。
從以上分析可見：半導(dǎo)體放電管和TVS管反應(yīng)速度快，時間為10-12s級；壓敏電阻和氣體放電管的反應(yīng)速度相對而言較慢，時間分別為10-9s和10-6S，而吸收的能量要比半導(dǎo)體放電管和TVS管大。3、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)的避雷器設(shè)計
計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)的避雷器主要是把雷擊或操作過電壓引起的暫態(tài)干擾能量及時泄放掉，保護(hù)
計算機(jī)與通信設(shè)備不受損壞，而在正常工作時不影響數(shù)據(jù)通信。其避雷器組成框圖如圖2所示。
圖中，一級、二級能量泄放模塊將雷擊或操作過電壓引起的暫態(tài)干擾中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限壓模塊主要是及時削減干擾電壓，以免高電壓沖擊造成計算機(jī)和通信系統(tǒng)內(nèi)集成塊永久性損壞。
因半導(dǎo)體放電管和TVS管反應(yīng)速度為10-12s級，壓敏電阻和氣體放電管的反應(yīng)時間分別為10-9s和10-6s，所以避雷器中快速限壓模塊一般采用半導(dǎo)體放電管或TVS管。一級能量泄放模塊采用氣體放電管，二級能量泄放模塊采用壓敏電阻。考慮到雷擊或操作過電壓能量太大時，會引起避雷元器件爆裂或永久性損壞，避雷器可以增加熔絲保護(hù)。
具體的避雷元器件選取方法為：
壓敏電阻的選用：
對于過電壓保護(hù)方面的應(yīng)用，壓敏電壓值應(yīng)大于實際電路的電壓值，一般用以下公式計算： V1＝av/bc 式中a——電源電壓波動系數(shù)，一般取1.2 v——電路直流工作電壓(交流時為有效值) b——壓敏電壓誤差，一般取0.85 c——元件的老化系數(shù)，一般取0.9
這樣計算得到的V1實際數(shù)值是直流工作電壓的1.5倍。在交流狀態(tài)下要考慮電壓峰值，因此計算結(jié)果
應(yīng)擴(kuò)大1.414倍，在應(yīng)用中可參考此公式通過實驗來確定。另外要考慮壓敏電阻的通流量的選取，通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給定的波形，沖擊次數(shù)和間隙時間進(jìn)行脈沖試驗時產(chǎn)品壓敏電壓變化率小于初值的±10%所能承受的最大電流值。產(chǎn)品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時間的函數(shù)。當(dāng)電流波形幅值降低50%時沖擊次數(shù)可增加一倍，所以在實際應(yīng)用中，壓敏電阻器所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量，以使產(chǎn)品有較高的工作壽命。
TVS的選用：
首先確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓，最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。TVS并聯(lián)應(yīng)用時，由于分流作用而允許總電流增加；串聯(lián)時，總電壓為各個TVS壓降之和。對于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適分布電容C的TVS器件。
半導(dǎo)體放電管的選用：
半導(dǎo)體放電管的VDRM值必須大于它所保護(hù)的最大工作電壓，VS值必須小于被保護(hù)器件所允許的瞬間峰值電壓，IPP必須大于計算機(jī)或通訊設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，并要考慮斷態(tài)分布電容的影響。 4、計算機(jī)房、通信系統(tǒng)防雷要點
計算機(jī)房、通信系統(tǒng)防雷主要由外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩部分組成。外部防雷包括空氣截雷系統(tǒng)即避雷針或避雷帶、引下線或接地系統(tǒng)，外部防雷系統(tǒng)應(yīng)在建筑物設(shè)計、建筑施工階段給予高度重視，以便利用建筑物自身的金屬構(gòu)件達(dá)到經(jīng)濟(jì)實用的防雷目的；內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備，如計算機(jī)及其通信口、電話機(jī)、復(fù)印機(jī)、UPS、數(shù)據(jù)傳輸線及空調(diào)機(jī)等電子設(shè)備加裝過電壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時，保護(hù)裝置能快速動作將能量泄放，從而保護(hù)設(shè)備不受損壞。具體防雷要點為：
4.1機(jī)房的防雷接地要求
感應(yīng)雷侵入機(jī)房及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的途徑主要有三方面：于交流380V、220V的電源線進(jìn)入、信號傳輸通道引入、地電位反擊等。為了確保機(jī)房設(shè)備及電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以及保障機(jī)房工作人員有安全工作環(huán)境，根據(jù)我國及國際有關(guān)規(guī)范規(guī)定，機(jī)房所在的整個樓房建筑體的接地應(yīng)按均壓等電位原則設(shè)計，即電子設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地(包括屏蔽接地和建筑物防雷接地)共同合用一組接地體的聯(lián)合接地方式，機(jī)房為防止地電位反擊，其接地電阻不應(yīng)大于1Ω。
4.2機(jī)房及信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)
(1)配電系統(tǒng)采取防雷措施。
(2)計算機(jī)外設(shè)采取防雷措施，即電源進(jìn)線并聯(lián)壓敏電阻和TVS管，形成過電壓防護(hù)，信號線采用信號防雷器引入，信號防雷器可根據(jù)圖2所示的原理構(gòu)成。
(3)通訊系統(tǒng)的信號線經(jīng)電纜或穿管(埋地)引入室內(nèi)，在交換機(jī)或Modem之前，經(jīng)過信號防雷器，將信號送至收信設(shè)備。到達(dá)收信設(shè)備(傳真機(jī)、電話機(jī)等)后，再采用信號防雷器進(jìn)行最末端的防護(hù)。
(4)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采取防雷措施，主機(jī)由UPS供電，UPS經(jīng)過過電壓防護(hù)插座插入電源插座，終端服 務(wù)器如果由UPS供電，防護(hù)方法同上；如果電源直接取自市電插座，則也必須經(jīng)過過電壓防護(hù)插座插入市電電源插座。主機(jī)及服務(wù)器的輸出接口經(jīng)過信號防雷器再與網(wǎng)絡(luò)連接，如需集中監(jiān)控，監(jiān)控器電源進(jìn)線也需經(jīng)過過電壓防護(hù)插座再插入電源插座，控制信號線經(jīng)過信號防雷器再與網(wǎng)絡(luò)連接。作過電壓引起的暫態(tài)干擾能量及時泄放掉，保護(hù)計算機(jī)與通信設(shè)備不受損壞，而在正常工作時不影響數(shù)據(jù)通信。其避雷器組成框圖如圖2所示。
圖中，一級、二級能量泄放模塊將雷擊或操作過電壓引起的暫態(tài)干擾中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限壓模塊主要是及時削減干擾電壓，以免高電壓沖擊造成計算機(jī)和通信系統(tǒng)內(nèi)集成塊永久性損壞。
