瞬態抑制器件

瞬態抑制器件可以顯著減少由于過電壓尖峰和浪涌而釋放的能量。

我們傾向于認為用于為電路供電的交流或直流電源都是干凈且調節良好的電源。然而，交流感性負載的開關或直流繼電器觸點和直流電機的開關都會導致電源質量難以維持，因此需要瞬態抑制器件。

當某種形式的感性或無功負載（如電機、螺線管線圈或繼電器線圈）突然關閉時，會產生感性開關瞬態。其磁場的迅速崩潰會感應出一個瞬態電壓，該電壓會疊加到穩態電源上。這些感性開關電壓瞬態可以達到數千伏。

瞬態是由于先前存儲的能量（無論是感性還是容性）突然釋放而在電路中產生的非常陡峭的電壓階躍，導致高電壓瞬態或浪涌的產生。由于某些開關動作，能量突然釋放回電路，產生一個陡峭的能量脈沖形式的瞬態電壓尖峰，理論上可以是任何無限值。

這種高dv/dt瞬態開關尖峰可以存在非常短的時間（毫秒或微秒），或者它們可以在短時間內偶爾發生，例如每天隨機兩到三次。

我們還必須認識到，電壓瞬態并不總是從零伏或一個周期的開始，而是可以疊加到另一個電壓水平上。無論哪種方式，瞬態都是有害的，因為它們可能損壞電子設備，因此需要被抑制和控制。

瞬態抑制器件可以采取多種形式，從電弧觸點到濾波器，再到固態半導體器件。分立半導體瞬態抑制器件，如金屬氧化物壓敏電阻（MOV），是目前最常見的，因為它們具有各種能量吸收和電壓額定值，可以嚴格控制不需要且可能具有破壞性的瞬態或過電壓尖峰。

瞬態抑制器件可以與負載串聯使用，以衰減或減少瞬態的能量值，防止其通過電路傳播，或者它們可以與負載并聯使用，將瞬態轉移，通常是接地，從而限制或鉗位剩余電壓。

電壓瞬態的衰減通常通過使用與負載電路串聯的低通濾波器來實現。當電壓瞬態發生時，它通常是一個快速移動的高頻尖峰，因此濾波器會衰減或阻止這種高頻瞬態，同時仍然允許低頻功率或信號分量繼續不受干擾。瞬態衰減器的一個很好的例子是帶有濾波器的電源延長線。

轉移瞬態通常通過使用電壓鉗位型器件或通常稱為撬棒型器件來實現。這些并聯連接的器件表現出非線性阻抗特性，因為通過它們的電流與它們端子上的電壓不成線性關系，如歐姆定律所述。

電壓鉗位器件，如MOV，具有可變阻抗，取決于通過器件的電流或端子上的電壓。在正常穩態工作條件下，器件提供高阻抗，因此對連接的電路沒有影響。

然而，當電壓瞬態發生時，器件的阻抗會發生變化，隨著電壓的上升，通過器件的電流增加。結果是瞬態電壓的明顯鉗位。鉗位器件的伏安特性通常是時間依賴的，因為電流的大幅增加導致器件耗散大量能量。

撬棒器件是另一種瞬態抑制器件，由于開關型開啟動作，它將過電壓尖峰從電路中轉移出去。撬棒器件的操作類似于齊納二極管，在正常穩態條件下，它們對電路沒有影響。當檢測到瞬態時，它們迅速“開啟”，提供非常低的阻抗路徑，將瞬態從并聯連接的負載轉移出去。

然后，分立瞬態抑制器件可以根據其連接類型和操作分為三個基本類別。

串聯（阻塞）連接的低通濾波器。

并聯（分流）連接的電壓鉗位器和電壓削波器。

并聯（分流）連接的撬棒器件。

這可以表示為：

瞬態抑制器件

瞬態抑制器件

串聯瞬態抑制濾波器

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

快速開關電壓瞬態的頻率分量可能遠高于交流電源的緩慢移動基頻。因此，衰減和控制這些不需要的瞬態的一個明顯選擇是在電源和負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，并允許低頻功率或信號不受干擾地通過。瞬態抑制濾波器的最簡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。

用于交流電源應用的濾波器通常由電感和電容組成，形成多級LC濾波器，其衰減程度取決于濾波器中的LC級數。一個典型的串聯連接的交流電源瞬態抑制濾波器如下所示。

典型的瞬態抑制濾波器

瞬態抑制濾波器

這個基本的兩級低通交流濾波器在整個頻率范圍內提供高插入損耗，通過阻止任何高頻瞬態和噪聲到達連接的負載設備，提供有效的瞬態電壓保護。此外，除了減少電壓尖峰和瞬態外，這些電源濾波器還可以幫助消除電源發出的任何射頻干擾或輻射。

電壓鉗位瞬態抑制器

電壓鉗位器用于限制電路上的瞬態幅度。當超過預設的閾值電壓時，電壓鉗位器件開始導通，然后當過電壓下降到其閾值水平以下時，返回到非導通模式。因此，過電壓尖峰被鉗位器件削波到安全水平。

電壓鉗位器件通常跨接在電源上并與負載并聯，以保護其免受任何不需要的高dv/dt電壓瞬態的影響。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單，但對于雙向交流電源，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）進行過電壓保護。

請注意，電壓鉗位器件會轉移浪涌電流，它們不會像濾波器那樣吸收它們，因此必須小心確保用于轉移瞬態的路徑不會產生或創建自己的電路問題。

齊納二極管瞬態抑制器

齊納二極管用于直流電源（單向）的保護，因為它們在正向偏置方向上表現得像普通二極管，但在反向偏置方向上會擊穿并導通。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，齊納二極管對電源表現出高阻抗，并且導通的漏電流非常小。然而，當齊納二極管上的電壓大于其齊納電壓時，它開始擊穿，隨著電壓的增加，其導通逐漸增加，對過電壓瞬態表現出非常低的阻抗路徑。

齊納瞬態抑制

齊納二極管瞬態抑制

當跨接在電源或受保護的組件上時，齊納二極管實際上是“不可見的”，直到瞬態電壓出現，因為在其反向擊穿電壓以下它具有高阻抗，而在其反向擊穿電壓以上具有低阻抗。

當齊納二極管處于擊穿操作模式時，即在抑制瞬態時，二極管會立即鉗位過電壓，將尖峰限制在安全水平，然后在瞬態電壓低于齊納電壓VZ時恢復正常。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，因為它將潛在的有害電流鉗位遠離受保護的負載。

齊納二極管的浪涌電流和功率能力與其結面積大致成正比。大多數齊納二極管設計用于低功率和低電壓水平。設計用于在更高電壓水平下運行并吸收更高浪涌電流而不會損壞的齊納二極管稱為雪崩二極管。

我們之前說過，由于其正向偏置二極管特性，單個齊納二極管只能用于穩態直流電源的瞬態抑制。但通過將兩個齊納二極管“背對背”連接，我們可以在雙向交流電源上使用它們的鉗位特性。

齊納瞬態抑制

背對背齊納二極管瞬態抑制

通過將兩個齊納二極管背對背連接，我們現在可以用一個齊納二極管保護正半周期免受過電壓瞬態的影響，用另一個齊納二極管保護負半周期。

如果兩個齊納二極管的反向擊穿電壓相同，則無論極性的瞬態電壓都將被鉗位在相同的齊納電壓水平，因為一個齊納二極管將有效地處于其反向偏置模式，而另一個將處于其正向偏置模式。

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

MOV瞬態抑制器

雖然齊納二極管和快速恢復雪崩二極管動作迅速且能有效鉗位過電壓，但最常見的過電壓抑制鉗位技術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，以保護免受電壓極端情況（如過電壓瞬態）的影響。

MOV是一種半導體電壓依賴型可變電阻，它與負載或要保護的組件并聯（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電壓瞬態方面非常有用。

MOV的行為類似于背對背的齊納二極管，因為它們可以用于雙向電壓鉗位，隨著電壓的增加，瞬態的導通增加。這些小型盤狀金屬氧化物壓敏電阻在兩個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行額定。

MOV瞬態抑制

MOV瞬態抑制

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定擊穿值時提供非常高的電阻，更像是一個電壓依賴電阻（VDR）。當暴露于任一極性的高瞬態電壓時，器件的電氣特性發生變化，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抑制器件的主要目的是將其上的電壓鉗位到安全水平，因為在大多數應用中，器件與要保護的電路或器件并聯。

撬棒瞬態抑制器

另一種并聯（分流）連接的瞬態抑制器件稱為撬棒保護。電子撬棒器件在超過預設閾值電壓時通過觸發到導通狀態而導通，導致電壓降僅為幾伏，因此得名撬棒。

撬棒器件和電路在達到觸發電壓時有效地創建短路，通常出現在設計用于產生固定輸出電壓的穩壓電源中，例如恒定的12伏或5伏，但也可以用于保護電路或負載免受瞬態過電壓的影響。

基于半導體的有源撬棒電路與負載并聯（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，因為它們具有低“導通狀態”電壓，并且可以將電壓水平保持在遠低于損壞水平。一旦觸發，它們可以將大量瞬態能量通過自身轉移到地，因為它們充當非常低阻抗類型的開關。

這里的缺點是，如果沒有提供額外的換向電路來在“開啟”后關閉撬棒鉗位，這種短路可能會導致電路保險絲或斷路器操作，特別是在直流系統中，因為電源被撬棒器件短路，輸出電壓將因此為零。考慮下面的簡單撬棒鉗位電路。

基本撬棒鉗位電路

撬棒鉗位電路

這里，晶閘管或SCR跨接在電源和負載上，由電阻R1和R2設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觸發“開啟”。然后SCR被切斷并不導通。

然而，當過電壓瞬態發生并上升到預定水平以上時，電阻R2上的電壓降也增加，并足以觸發SCR的柵極導通，從而鉗位瞬態電壓，保護負載。這里的問題是，雖然負載受到過電壓的保護，但它不保護電源，從而燒斷電源的保險絲。然后，通過短路電源來保護負載免受瞬態的影響可能比觸發它的事件更大。

除了使用晶閘管外，對于交流電源的過電壓保護，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導通。使用晶閘管或三端雙向可控硅進行交流電源的撬棒保護的優點是，它們會在每個半周期自動關閉。

因此，如果持續幾分之一毫秒的短時瞬態觸發撬棒器件，分流動作只會將連接的交流電源線短路至少一個半周期，這可能太快，保險絲來不及熔斷。

齊納撬棒瞬態抑制器

我們可以通過使用齊納二極管檢測過電壓條件來改進上述基本撬棒電路的瞬態感應和性能。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由齊納二極管監控，齊納二極管充當瞬態檢測組件，其齊納電壓VZ額定值決定了SCR開啟的電壓水平。當直流電源電壓低于齊納二極管的反向偏置額定值時，齊納二極管不導通，因此沒有電壓或電流施加到SCR的柵極，因此保持“關閉”，不導通。

如果電源電壓增加到齊納電壓額定值以上，如在過電壓瞬態的情況下，齊納二極管開始導通，允許柵極電流流入SCR，將其“開啟”并短路負載電源電壓并燒斷保險絲。然后，負載受到高于齊納電壓VZ的瞬態電壓的保護，因為齊納二極管僅攜帶SCR開啟的柵極電流，而SCR本身將攜帶大部分分流電流。

雖然這個齊納撬棒電路是對基本分壓網絡的改進，但它存在軟開啟動作的問題，因為齊納擊穿電壓的膝部是彎曲的而不是急劇上升。可以通過在檢測和觸發電路中添加一些電壓增益來進一步修改和改進基本撬棒電路，例如單個放大器電路或運算放大器電路。

為此，設計了具有內置過電壓觸發器的晶閘管，以撬棒單向或雙向瞬態和電壓浪涌。例如，RCA SK9345系列IC撬棒設計用于保護15伏電源，SK9346保護112伏電源，SK9347保護115伏電源。

所有這些都使用帶有內置齊納二極管、晶體管和SCR的集成電路。MC3423過電壓撬棒感應電路是一個設計用于與外部撬棒SCR一起使用的單一IC。

瞬態抑制器件總結

隨著我們在日常生活中使用更多的電子設備，我們越來越依賴過電壓保護器件來保護我們的設備免受電壓尖峰和浪涌的影響。瞬態過電壓通常由感性或容性開關電路引起，這些電路會釋放突然的高電壓尖峰。

這些電壓尖峰和浪涌可以在短時間內由高能量組成，或者在短時間內間歇性地組成，并疊加在穩態值（如交流電源波形）之上。

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

最簡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致高頻瞬態的衰減。在大多數應用中，瞬態抑制器件與受保護的負載并聯，或與某些要保護的組件并聯。

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，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”的固態撬棒電路迅速短路電源上的電壓瞬態，燒斷保險絲以進行過電壓保護。混合瞬態/浪涌保護器將撬棒與鉗位結合，或將鉗位/撬棒與濾波器結合在一個模塊中，有許多不同的組合是可能的。