防雷開關在電源電路中的應用設計方案

    一般建筑物上的避雷針只能預防直擊雷，而強大的電磁場產(chǎn)生的感應雷和脈沖電壓卻能潛入室內(nèi)危及電視、電話及電子儀表等用電設備。特別是太陽能控制儀表，由于太陽能安裝位置的特殊情況，其使用穩(wěn)定性是廣大開發(fā)人員一直關注的重點。
    瞬間高電壓的雷擊浪涌以及信號系統(tǒng)浪涌是引起儀表穩(wěn)定性差的重要原因，信號系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應雷擊、電磁干擾(EMI)、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號的影響，會使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏蚀_性和傳輸速率。如何設計防雷電路成為儀表研發(fā)的關鍵問題。
    議題內(nèi)容：
    雷擊浪涌分析
    防雷擊浪涌電路的設計
    解決方案：
    應用將壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)
    使用線繞電阻斷開電路
    雷擊浪涌分析
    最常見的電子設備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時在電源和通訊線路中感應的電流浪涌引起的。一方面由于電子設備內(nèi)部結構高度集成化(VLSI芯片)，從而造成設備耐壓、耐過電流的水平下降，對雷電(包括感應雷及操作過電壓浪涌)的承受能力下降，另一方面由于信號來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線或信號線等途徑竄入電腦設備，我們就這兩方面分別討論：
    1)電源浪涌
    電源浪涌并不僅源于雷擊，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障、投切大負荷時都會產(chǎn)生電源浪涌，電網(wǎng)綿延千里，不論是雷擊還是線路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當距你幾百公里的遠方發(fā)生了雷擊時，雷擊浪涌通過電網(wǎng)光速傳輸，經(jīng)過變電站等衰減，到你的電腦時可能仍然有上千伏，這個高壓很短，只有幾十到幾百個微秒，或者不足以燒毀電腦，但是對于電腦內(nèi)部的半導體元件卻有很大的損害，正象舊音響的雜音比新的要大是因為內(nèi)部元件受到損害一樣，隨著這些損害的加深，電腦也逐漸變的越來越不穩(wěn)定，或有可能造成您重要數(shù)據(jù)的丟失。
     美國GE公司測定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(110V)在10000小時(約一年零兩個月)內(nèi)在線間發(fā)生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達到800余次，其中超過1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設備損壞。
    2)信號系統(tǒng)浪涌
    信號系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號的影響，會使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏蚀_性和傳輸速率。排除這些干擾將會改善網(wǎng)絡的傳輸狀況。
    基于以上的技術缺陷和狀況，本文根據(jù)實際使用設計了一種基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌的開關電源電路。
防雷擊浪涌電路的設計
    本文所設計的是一種基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌電路，并將其應用到儀表的開關電源上。整個電路包括防雷電路和開關電源電路，其中防雷電路采用3個壓敏電阻和一個陶瓷氣體放電管組成復合式對稱電路，共模、差摸全保護。與經(jīng)典的開關電源電路組成防雷儀表的電源電路，采用壓敏電阻并聯(lián)，延長使用壽命，在壓敏電阻短路失效后與開關電源電路分離，不會引起失火。
    為了實現(xiàn)上述目的所采取的設計方案是：將壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單相并聯(lián)式抗雷擊浪涌電路應用到儀表的電源上。主要分為防雷電路部分和開關電源電路部分，電路簡單，采用復合式對稱電路，共模、差摸全保護，可以不分L、N端連接。使壓敏電阻RV1位于貼片整流模塊前端分別與電源L、N并聯(lián)，主要來鉗位L、N線間電壓，壓敏電阻RV0、RV2與陶瓷氣體放電管FD1串聯(lián)后接地，RV0與FD1串聯(lián)主要是泄放L線上感應雷擊浪涌電流，RV2與FD1串聯(lián)主要是泄放由信號口串人24V參考電位上的能量，RV0、RV2短路失效后，F(xiàn)D1可將其與電源電路分離，不會導致失火現(xiàn)象。
    RV1前端線路上串聯(lián)了一個線繞電阻，當此RV1短路失效時，線繞電阻可起到保險絲的作用，將短路電路斷開，壓敏電阻屬電壓鉗位型保護器件，其鉗位電壓點即壓敏電阻參數(shù)選擇相對比較重要(選壓敏電壓高一點的，通流量大一些的更安全、耐用，故障率低)；根據(jù)通流容量要求選擇外形尺寸和封裝形式，本電路中采用561k－10D的壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)來延長使用壽命和確保安全。
    陶瓷氣體放電管的通流容量根據(jù)要求的通流容量選擇，電路采用3RM470L－7．5－L，通流量為5000A。線繞電阻R1起限流分壓作用；貼片整流模塊為開關電源電路前端整流作用，C1為高壓濾波電容，Y1為去耦電容，電阻R2和電容C2及VD2組成開關電源芯片MOS管的吸收鉗位電路，保護芯片，開關電源芯片采用PI公司的TNY27系列，TR1為高頻變壓器，VD3、C3構成高頻變壓器次級濾波，U2、VD4、R3、R4、R5構成開關電源電路的反饋電路，可將變壓器次級輸出電壓穩(wěn)定在設計值，此防雷抗浪涌電路在實際使用中取得了較好的效果。
    基于壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的單項并聯(lián)式防雷電路在近年的太陽能控制儀表開發(fā)中逐漸被廣大設計人員所青睞，本文所設計的電路就其嚴謹性，完全符合國標GB／T17626．5的試驗標準。在實際使用中可以空出PCB板的空間來為開發(fā)者提供隨心所欲的設計舞臺。