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雷击浪涌的防护 2

雷击浪涌的防护 2

        图(a)中L1与CY1、 L2与CY2,分别对两路共模浪涌电压进行抑制,计算时只需计算其中一路即可。Ø对L1进行精确计算,须要求解一组2阶微分方程,结果表明:电容充电是按正弦曲线进行,放电是按余弦曲线进行。但此计算方法比较复杂,这里采用比较简单的方法。
        假说,共模信号是一个幅度为Up、宽度为τ的方波,以及CY电容两端的电压为Uc,测流过电感的电流为一宽度等于2τ的锯齿波:


        流过电感的电流为:



        流过电感的最大电流为:



        在2τ期间流过电感的平均电流为:



        由此可以求得CY电容在2τ期间的电压变化量为:






        上面公式是计算共模浪涌抑制电路中电感L和电容CY参数的计算公式,式中,Uc为CY电容两端的电压,也是浪涌抑制电路的输出电压,∆Uc为CY电容两端的电压变化量,但由于雷电脉冲的周期很长,占空比很小,可以认为Uc = ∆Uc,Up为共模浪涌脉冲的峰值,q为CY电容存储的电荷,τ为共模浪涌脉冲的宽度,L为电感,C为电容。


        根据上面公式,假设浪涌峰值电压Up=4000Vp,电容C=2500p,浪涌抑制电路的输出电压Uc=2000Vp,则需要电感L的数值为1H。显然这个数值非常大,在实际中很难实现,所以上面电路对雷电共模抑制的能力很有限,此电路还需进一步改进。


        差模浪涌电压抑制,主要是靠图中的滤波电感L1、L2 ,和滤波电容CX ,L1、L2滤波电感和CX滤波电容等参数的选择,同样可以用下面公式来进行计算。

        但上式中的L应该等于L1和L2两个滤波电感之和,C=CX,Uc等于差模抑制输出电压。一般,差模抑制输出电压应不大于600Vp,因为很多半导体器件和电容的最大耐压都在此电压附近,并且,经过L1和L2两个滤波电感以及CX电容滤波之后,雷电差模浪涌电压的幅度虽然降低了,但能量基本上没有降低,因为经过滤波之后,脉冲宽度会增加,一旦器件被击穿,大部分都无法恢复到原来的状态。


        根据上面公式,假设浪涌峰值电压Up=4000Vp,脉冲宽度为50uS,差模浪涌抑制电路的输出电压Uc=600Vp,则需要LC的数值为14mH×uF。显然,这个数值对于一般电子产品的浪涌抑制电路来说还是比较大的,相比之下,增加电感量要比增加电容量更有利,因此最好选用一种有3个窗口、用矽钢片作铁芯,电感量相对较大(大于20mH)的电感作为浪涌电感,这种电感共模和差模电感量都很大,并且不容易饱和。 顺便指出,整流电路后面的电解滤波电容,同样也具有抑制浪涌脉冲的功能,如果把此功能也算上,其输出电压Uc就不能选600Vp,而只能选为电容器的最高耐压Ur(400Vp)。



4、雷击浪涌脉冲电压抑制常用器件



        避雷器件主要有陶瓷气体放电管、氧化锌压敏电阻、半导体闸流管(TVS)、浪涌抑制电感线圈、X类浪涌抑制电容等,各种器件要组合使用。


        气体放电管的种类很多,放电电流一般都很大,可达数十kA,放电电压比较高,放电管从点火到放电需要一定的时间,并且存在残存电压,性能不太稳定;氧化鋅压敏电阻伏安特性比较好,但受功率的限制,电流相对比放电管小,多次被雷电过流击穿后,击穿电压值会下降,甚至会失效;半导体TVS管伏安特性最好,但功率一般都很小,成本比较高;浪涌抑制线圈是最基本的防雷器件,为防流过电网交流电饱和,必须选用三窗口铁芯;X电容也是必须的,要选用容许纹波电流较大的电容。
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