压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例.docx
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压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例
压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例
压敏电阻(雷敏)过压保护的数学原理及选择实例
1压敏电阻抑制雷击过电压的数学原理
电路中感应到的雷击过电压可用一个冲击电压源来进行等效计算。
当一个如图所示的电路遭到雷电感应时,应用冲击电压源的概念,雷击就是在原有电路中叠加一个冲击电压源V和该高频冲击电压在线路中的等效阻抗X(源阻抗,SS
SourceImpedance);由于V>>V,所以在分析雷击过电压时工频电压源VBBS
可被忽略不计,如图2所示。
V而言,设备电源线的阻抗是可以忽略不计的,但对高频率的等效雷电压B
冲击源V而言,设备电源线的阻抗是不可忽略的因素,我们可以将这个阻抗看S
成是冲击电压源的组成部分,并称之为源阻抗X。
设备电源线的阻抗与电源线S
的长度和电压波的频率有关。
一条长约5m的电源线,其阻抗和频率的关系如图3所示
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/1
压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例
设备的电源线存在一定的电感和分布电容,一个从电源侧侵入设备的
1.2/50μs雷电压波在传播到设备的入口端时会转变成RingWave波形(假设输入阻抗无穷大且无压敏电阻保护),该波形的典型频率为100kHz,如图4所示。
压敏电阻接入电路后,如果冲击电压源V的峰值远大于压敏电压U,压NS
敏电阻导通并呈低阻态。
由于被保护设备的输入阻抗一般都远大于与之并联的压敏电阻的导通阻抗X,所以流过压敏电阻的冲击电流峰值I及其压敏电阻两PV
端的导通电压(残压)U均不受被保护设备的影响。
压敏电阻导通时的等效R
电路如图5所示。
根据戴维南定理,冲击电压源的短路电流I=V/X。
SSS
1)压敏电阻在多次雷击下的最大导通电压和最大导通电流
当过电压V使非线性的压敏电阻导通时,压敏电阻抑制过电压的原理如S
图6所示。
图中,loadline是一条直线,它与压敏电阻V/I特性曲线的横轴相交于I,与纵轴相交于V;loadline与V/I特性曲线相交于Q点,该SS
交点就是压敏电阻导通时的工作点,即:
Q点所对应的电压u就是压敏电阻R
导通时的残压,所对应的电流i就是压敏电阻导通时流过的冲击电流峰值。
生p
产厂家提供的V/I特性曲线均为压敏电压为正偏差(+10%)时的情况,因此我们作图得到的u就是该规格压敏电阻最大的导通电压,得到的i也是压pR
敏电压为正偏差(+10%)时的导通电流,但i并不是导通电流的最大值。
p
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压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例%)的情况下,10事实上,最大的导通电流i发生在压敏电压为负偏差(-pm
的值。
近似计算出i我们可以用式1pm
)(1
i压敏电阻中的最大的导通电流V和压敏电阻规格一定时,由式1可知,在S
的取值Xi越小。
那么我们如何确定X呈反比,X越大,与源阻抗SSSpmpm
呢?
压敏电阻用户所示。
如表1IEC61000-4-5规定了三类防雷模拟测试的标准,和V可以根据自己的整机的电源进线方式和使用环境来选定设计计算所需的S
X。
S
iX计算出为了保证防雷模拟测试能够顺利通过,我们根据选定的V和SS
、冲20μs后,还要从该规格压敏电阻的脉冲电流降额曲线上查出脉冲宽度pm
次雷击下的1010的最大允许脉冲电流峰值i(压敏电阻在连续击次数为max
,则该规格的压敏电阻满足该测试条件下的通流i最大通流量),如果i>pmmax
)要求。
(surge
规定的表1IEC61000-4-5
模拟雷击测试标准
开路电压源阻抗X(Ω)S
VS
严酷--L/NLL(1.2/50μs)等级其他/NPE
(kV)
一级0.521242
二级121242
三级221242
四级421242
模拟雷电波冲击10次,正反向各5
次,冲击时间间隔60s
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特性曲线的坐标刻度为十进制下的画法,产品/Iloadline是在V图6中的loadline在双对数坐标下,/I特性曲线一般都是用双对数坐标表示,样本中的V
所示。
不是一条直线,它的形状如图7
)压敏电阻在多次雷击下的的平均功率2
10规定的模拟雷击测试要求在连续冲击IEC61000-4-5从表1可以看出:
的条件下进行。
在此条件下,由于间隔时间通常远大于雷击60s次、每次间隔持续时间,所以压敏电阻的平均功率P为:
)2(
为脉冲时间间隔。
2式中,T
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压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例
用式2计算出平均功率P后,还需要在产品样本中查出该规格压敏电阻的额定功率(ratedwattage)P,如果P>P,则该规格的压敏电阻满足该00
测试条件下的功率耗散要求。
如果P>>P,我们就可以缩短试验时的脉冲时间间隔,最小的时间间隔T0
为:
min
(3)
2压敏电阻抑制操作过电压的数学原理
当过电压是由开断电感元件中的电流引起的,“浪涌电流(surgecurrent)”及其等效波形参数可用下面的方法求出。
1)操作波的浪涌电流峰值和等效方波持续时间
因为电感中的电流不能突变,所以在电感被开断的时刻,压敏电阻中流过的电流与电感中的电流相等,此时刻后,压敏电阻中的电流i随电感磁场能量的泄放逐步减小,其衰减规律符合指数函数:
i=iexp(-t/τ)(4)0式中,i为初始放电电流(电感在被开断瞬间的电流),时间常数τ=L/R0
可由电流通路上的电感量L和电阻R求出。
从式4可以看出:
当时间t=τ
时,电流i已衰减为初始放电电流i的1/e(约37%)。
根据数学原理,0
式4表示的指数衰减曲线的积分面积相当于一个电流恒等于i、持续时间为τ0
的方波的面积;从电学的角度看这两种电流波形的电荷量相等,如图8所示。
τ的大小取决于电感量L、电感线圈的直流电阻R和压敏电阻的导通电阻C
R,即:
V
τ≈L/R+R(5)VC13
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压敏电阻的导通电阻R随着电流从i衰减到0不断变化(增大),因此τ也0V
是电流的函数。
在工程计算中,一般假定R为常数,它所对应的电流为i(从0V
V/I特性曲线上找到i对应的电压u,R=u/i。
从严格的意义上说,00RRV
V/I特性曲线上的残压u是在电流波形为8/20μs情况下测出的,对指数波形R
而言u会小一些,但一般不会影响选型结果),以减少计算上的难度。
R
通过以上近似计算得到的τ基本上等效于压敏电阻脉冲电流降额曲线的脉冲宽度,i相当于雷电波下的i。
在给定冲击寿命(冲击次数n)的条件pm0
下,我们可以用与上节(1节)相同的方法从降额曲线上找到与τ和n对应的i,然后校验i是否小于i。
maxmax0
2)压敏电阻对操作波的能量吸收能力
电感中储存着较大的磁场能量,因此当它被开断时,磁场能量就会转化为电场能量通过压敏电阻和电感线圈的直流电阻R释放出来。
电感中储存的磁能C
E为:
L
(6)
能量E需要压敏电阻和电感线圈的直流电阻R共同承担,但我们一般不考CL
虑两者的分担比例,并假设E全部由压敏电阻承担。
压敏电阻的能量吸收能L
力E为:
max
(7)
式中,i为压敏电阻脉冲电流降额曲线上对应着冲击寿命n和τ的最大通流max
量;u为压敏电阻V/I特性曲线上i所对应的最大残压(压敏电压偏差maxmax
为+10%)。
如果E>E,则该规格的压敏电阻满足能量吸收的要求。
Lmax
3)压敏电阻在连续操作下平均功率
在有些实际电路中存在着连续多次操作的情况,如果实际存在这种情况且连续操作的时间间隔为T,压敏电阻的平均功率P为:
(8)
如果压敏电阻的额定功率P>P,则该规格的压敏电阻满足功率耗散的要求。
0
如果P>>P,最小的时间间隔T可设计为:
min0
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)(9
选型计算实例4
选型计算前的准备工作4.1
在选型前,必须向用户详细了解以下情况,并将有关技术信息填入《用户技
2-4-1所示。
术情况调查表》,如表/考核电压;1)被保护设备的最大工作)被保护设备或部件的保护电压水平;2被保护设备的雷击测试的电压等级(即复合波发生器的开路电压)和冲3)击次数、冲击间隔时间;压敏电阻的用途和安装位置;4)操作波发生源的电感量、初始放电电流、线圈直流电阻、设计放电次数5)
和最小时间间隔;其他。
6)4.2实例一芯片损IC芯片)曾在雷雨天发生过EPROM等数个IC某低压电器(内含
-之间)加装压敏电阻。
坏的问题。
生产厂家考虑在产品的交流电源侧(LN
):
经了解,其主要技术信息如下(参见图2-4-1
进入电源变压NL、1)该低压电器的电源部分为单相,且只有两条进线器初级端。
%,但生产厂10,电压偏差为±2)电源变压器初级的额定电压为220VAC2小时;家出于安全考虑,规定产品出厂前要将电压升高到380V考核AC1800V;)电源入口端的保护电压水平为3
,连续2Ω1.2/50μs)、源阻抗(4)雷击测试的条件为:
开路电压5kV
60s。
冲击10次(正反向各5次)、每次间隔的选定及预选型号U1)压敏电压N
但是我们应该按用户的考核电压的,220V额定电压是虽然该低压电器的AC查阅,418V=×380V即最大值作为压敏电阻的最大连续工作电压,1.1ACAC13
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压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例
本公司产品样本可选压敏电压U为680V,预选压敏电阻型号为NGNR14D681K。
2)图解确定最大导通电压u和最大导通电流ipmR
i=(5000-0.9×1500/1.1)/2≈1890(A)pm在GNR14D681K的脉冲电流降额曲线上可以查出脉冲宽度20μs、冲击次数为10的最大允许脉冲电流峰值i≈1600A,因此不满足i
通流条件,我们改选GNR20D681K。
在GNR20D681K的V/I特性曲线上绘出V=5KV、X=2Ω的SS
loadline,如图2-4-3所示(V/I特性曲线根据产品样本重新绘制)。
图解得到交点Q所对应的u=1480V。
根据式2-3-1,最大导通电流i为:
pmR
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压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例
、冲击20μs上可以查出脉冲宽度的脉冲电流降额曲线在GNR20D681K
的通 流条件。 13 /9 压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例 多次雷击下的的平均功率3) 60s10次、每次间隔2-3-2,GNR25D681K压敏电阻在连续冲击根据式 的条件下的平均功率为: P 1W,此结果满足的额定功率P=从产品样本中可以查出GNR20D681K0 压敏电阻满足该测试条件下的功率耗散要求。 GNR20D681K>P的要求,因此0 保护电压水平校验4) 规格压敏电阻的最大导通GNR20D681K是1480V4-3得到的u=从图R 的要求。 1800V电压,此结果满足保护电压水平 -规格压敏电GNR20D681KN之间应选用选型结论: 该低压电器电源的L 阻。 实例二4.3 所示,电路参数如下: 一个小电机控制回路等效电路如图4-4 13 /10 压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例 V=24±2VDCL=0.1H i=2A0 R=12ΩC 6=10开关设计动作寿命 最短连续开关时间间隔=10s 开关触点的保护电压水平=100V 选型计算步骤 1)压敏电压U的选定及预选型号N 压敏电阻的最大连续工作电压为(24+2)V=26V,查阅本公DCDC司产品样本,可选压敏电压U为33V,预选压敏电阻型号为GNR10D330K。 N2)操作波的浪涌电流峰值和等效方波持续时间 从GNR10D330K的V/I特性曲线(产品样本p15)上找到i=2A对0 应的电压u为62V,那么R=u/i=62V/2A=31Ω,根据式0RRV 2-3-5,可得: 从GNR10D330K的脉冲电流降额曲线(产品样本p21),可查出对应冲击6的i≈1.8A,此结果不满足i 条件,因此我们改选GNR14D330K。 13 /11 压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例 从GNR14D330K的V/I特性曲线(产品样本p15)上找到i=2A对0 应的电压u为56V,那么R=u/i=56V/2A=28Ω,根据式0VRR 2-3-5,可得: 从GNR14D330K的脉冲电流降额曲线(产品样本p22),可查出对应冲击6的i≈3.5A,此结果满足i2.5ms、冲击次数10 3)压敏电阻对操作波的能量吸收能力 根据式2-3-6,可得电感L储存的能量为: 从GNR14D330K的V/I特性曲线(产品样本p15)上找到i=3.5Amax 对应的电压u为58V,根据式3-7,可得GNR14D330K的最大能量吸max 收能力为: 此结果满足E maxL 4)压敏电阻在连续操作下平均功率 在连续多次操作、间隔时间T=10s的情况下,GNR14D330K的平均功率为: 从产品样本中可以查出GNR14D330K的额定功率P=0.1W,此结果满0 足P>P的要求,因此GNR14D330K压敏电阻满足功率耗散要求。 0 由于P>>P,我们可向用户建议最小的连续动作时间间隔T的值: min0 13 /12 压敏电阻过压保护的数学原理及选择实例 5)保护电压水平校验 GNR14D330K压敏电阻最大导通电压为56V,开关元件两端的电压为56V +26V=82V,此结果满足开关触点的保护电压水平100V的要求 13 /13
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