摘要： 本文主要简述了在防雷电路中使用的一些元器件的原理、特性以及应用特点，其中包括了笔者在实际的防雷电路设计工作得到的一些体会，在这里提供出来，便于读者在设计防雷电路时参考，由于作者的水平有限，文中有不准确及欠妥之处敬请指正。
关键词 ：气体放电管 压敏电阻 TVS 管 TSS 管

1 气体放电管

图 1 气体放电管的原理图符号

气体放电管是一种开关型保护器件，主要利用放电管两金属极板间的气体放电实现保护：当两极间电压足够大时，极间气体间隙将被击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，类似短路。导电状态下两极间维持的电压很低，一般在 20 ～ 50V ，因此可以起到保护后级电路的效果。气体放电管的主要指标有：响应时间、直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量、绝缘电阻、极间电容、续流遮断时间等。

气体放电管的响应时间可以达到数百 ns 以至数 ? s ，在保护器件中是很慢的。当线缆上的雷击过电压使防雷器中的气体放电管击穿短路时，初始的击穿电压基本为气体放电管的冲击击穿电压，一般在 600V 以上，放电管击穿导通后两极间维持电压下降到 20 ～ 50V ；另一方面，气体放电管的通流量比压敏电阻和 TVS 管要大，气体放电管与 TVS 等保护器件合用时应使大部分的过电流通过气体放电管泻放，所以气体放电管一般用于保护电路的最前级，其后级的保护电路由压敏电阻或 TVS 管组成，这两种器件的响应时间很快，对后级电路的保护效果更好。气体放电管的绝缘电阻非常高，可以达到千兆欧姆的量级。极间电容的值非常小，一般在 5pF 以下，极间漏电流非常小，为 nA 级。因此气体放电管并接在线路上对线路基本不会构成什么影响。

气体放电管的续流遮断是设计电路需要重点考虑的一个问题。如前所述，气体放电管在导电状态下续流维持电压一般在 20 ～ 50V ，在直流电源电路中应用时，如果两线间电压超过 15V ，不宜在两线间直接应用放电管。在 50Hz 交流电源电路中使用时，虽然交流电压有过零点，可以实现气体放电管的续流遮断，但气体放电管类的器件在经过多次导电击穿后，其续流遮断能力将大大降低，长期使用后存在安全问题。因此在交流电源电路的相线对保护地线之间单独使用气体放电管是不合适的，一般情况下需要气体放电管和压敏电阻串联使用。在交流电源电路的相线对中线的保护中一般不使用气体放电管。

防雷电路的设计中，应注重气体放电管的直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量等参数值的选取。在普通交流线路上与其他保护器件配合使用的放电管，要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作，则它的直流放电电压应满足： min(u fdc ) ≥ 1.8U P 。式中 u fdc 直流击穿电压， min(u fdc ) 表示直流击穿电压的最小值。 U P 为线路正常运行电压的峰值。

气体放电管主要可应用在交流电源口相线、中线的对地保护，直流电源的电源回流线和保护地线之间的保护；信号口线对地的保护，天馈口馈线芯线对屏蔽层的保护。

气体放电管的失效模式多数情况下为开路，因电路设计原因或其它因素导致放电管长期处于短路状态而烧坏时，也可引起短路的失效模式。气体放电管使用寿命相对较短，多次冲击后性能会下降。 因此由气体放电管构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。

 

2 压敏电阻

图 2 压敏电阻的原理图符号

压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

压敏电阻的响应时间为 ns 级，比空气放电管快，比 TVS 管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百～几千 pF 的数量级，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会稍稍增大漏电流，在设计保护电路时应予以考虑。压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。

压敏电阻的压敏电压（ min(U 1mA ））、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有： min(U 1mA ) ≥ (1.8 ～ 2)U dc ，式中 U dc 为回路中的直流工作电压。在交流回路中，应当有： min(U 1mA ) ≥ (2.2 ～ 2.5)U ac ，式中 U ac 为回路中的交流工作电压。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。在信号回路中时，应当有： min(U 1mA ) ≥ (1.2 ～ 1.5)U max ，式中 U max 为信号回路的峰值电压。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻能够承受两次电流冲击而不损坏的通流值应大于防雷电路的设计通流量。

压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路。

压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，多次冲击后性能会下降。因此由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。

 

3 电压钳位型瞬态抑制二极管（ TVS ）

        图 3 TVS 管原理图

TVS 是一种限压保护器件，作用与压敏电阻很类似。也是利用器件的非线性特性将过电压钳位到一个较低的电压值实现对后级电路的保护。 TVS 管的主要参数有：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。

TVS 的响应时间可以达到 ps 级，是限压型浪涌保护器件中最快的。用于电子电路的过电压保护时其响应速度都可满足要求。 TVS 管的结电容根据制造工艺的不同，大体可分为两种类型，高结电容型 TVS 一般在几百～几千 pF 的数量级，低结电容型 TVS 的结电容一般在几 pF~ 几十 pF 的数量级。一般分立式 TVS 的结电容都较高，表贴式 TVS 管中两种类型都有。在高频信号线路的保护中，应主要选用低结电容的 TVS 管。

TVS 管的非线性特性比压敏电阻好，当通过 TVS 管的过电流增大时， TVS 管的钳位电压上升速度比压敏电阻慢，因此可以获得比压敏电阻更理想的残压输出。在很多需要精细保护的电子电路中，应用 TVS 管是比较好的选择。 TVS 管的通流容量在限压型浪涌保护器中是最小的，一般用于最末级的精细保护，因其通流量小，一般不用于交流电源线路的保护，直流电源的防雷电路使用 TVS 管时，一般还需要与压敏电阻等通流容量大的器件配合。 TVS 管便于集成，很适合在单板上使用。

TVS 具有的另一个优点是可灵活选用单向或双向保护器件，在单极性的信号电路中，选用单向 TVS 管，可以获得比压敏电阻低 50 ％以上的残压。

TVS 的反向击穿电压、通流容量是电路设计时应重点考虑的。在直流回路中，应当有： min(U 1mA ) ≥ (1.8 ～ 2)U dc ，式中 U dc 为回路中的直流工作电压。在信号回路中时，应当有： min(U 1mA ) ≥ (1.2 ～ 1.5)U max ，式中 U max 为信号回路的峰值电压。

TVS 管主要可用于直流电源、信号线路、天馈线路的防雷保护。

TVS 管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成 TVS 管被炸裂而开路。 TVS 管的使用寿命相对较长。

 

4 电压开关型瞬态抑制二极管（ TSS ）

图 4 TSS 管的原理图符号

电压开关型瞬态抑制二级管与 TVS 管相同，也是利用半导体工艺制成的限压保护器件，但其工作原理与气体放电管类似，而与压敏电阻和 TVS 管不同。当 TSS 管两端的过电压超过 TSS 管的击穿电压时， TSS 管将把过电压钳位到比击穿电压更低的接近 0V 的水平上，之后 TSS 管持续这种短路状态，直到流过 TSS 管的过电流降到临界值以下后， TSS 恢复开路状态。

TSS 管在响应时间、结电容方面具有与 TVS 管相同的特点。易于制成表贴器件，很适合在单板上使用， TSS 管动作后，将过电压从击穿电压值附近下拉到接近 0V 的水平，这时二极管的结压降小，所以用于信号电平较高的线路（例如：模拟用户线、 ADSL 等）保护时通流量比 TVS 管大，保护效果也比 TVS 管好。 TSS 适合于信号电平较高的信号线路的保护。

在使用 TSS 管时需要注意的一个问题是： TSS 管在过电压作用下击穿后，当流过 TSS 管的电流值下降到临界值以下后， TSS 管才恢复开路状态，因此 TSS 管在信号线路中使用时，信号线路的常态电流应小于 TSS 管的临界恢复电流。

TSS 管的击穿电压（ min(U 1mA ））、通流容量、结电容是电路设计时应重点考虑的。在信号回路中时，应当有： min(U 1mA ) ≥ (1.2 ～ 1.5)U max ，式中 U max 为信号回路的峰值电压。

TSS 管较多应用于信号线路的防雷保护。

TSS 管的失效模式主要是短路。但当通过的过电流太大时，也可能造成 TSS 管被炸裂而开路。 TSS 管的使用寿命相对较长。

 

5 、热敏电阻 (PTC)

PTC 是一种限流保护器件，其电阻值可以随通过 PTC 电流的增大而发生急剧的变化。一般串联于线上用作过流保护。当外部线缆引入过电流时， PTC 自身阻抗迅速增大起到限流保护的作用。 PTC 可应用在信号线路上。 PTC 反应速度较慢，一般为毫秒级，因此它的非线性电阻特性在雷击过电流通过时发辉的作用不大，可以按它的常态电阻来估算它的雷击过电流限流作用。热敏电阻的作用更多的体现在诸如电力线碰触等出现长时间过流保护的场合，常用于用户线路的保护中。 PTC 失效时为开路。

目前 PTC 主要有高分子材料 PTC 和陶瓷 PTC 两种，其中陶瓷 PTC 的过电压耐受能力比高分子材料的 PTC 好， PTC 用于防护电路的最前级时，采用陶瓷 PTC 较好。

 

6 保险管、熔断器、空气开关

保险管、熔断器、空气开关都属于保护器件，用于设备内部出现短路、过流等故障情况下，能够断开线路上的短路负载或过流负载，防止电气火灾及保证设备的安全特性。

保险管一般用于单板上的保护，熔断器、空气开关一般可用于整机的保护。下面简单介绍保险管的使用：

对于电源电路上由空气放电管、压敏电阻、 TVS 管组成的保护电路，必须配有保险管进行保护，以避免设备内的防雷电路损坏后设备发生安全问题。用于电源防雷电路的保险管宜设计在与防护器件串联的支路上，这样防护器件发生损坏，保护管熔断后不会影响主路的供电。无馈电的信号线路、天馈线路的保护采用保险管的必要性不大。

保险管的特性主要有：额定电流、额定电压等。

标注在保险管上的电压额定值表示该保险管在电压等于或小于其额定电压的电路中完全可以安全可靠地中断其额定的短路电流。电压额定值系列包括在 N ． E ． C 规定中，而且也是保险商实验室的一项要求，作为防止火灾危险的保护措施。对于大多数小尺寸保险管及微型保险管，保险管制造商们采用的标准电压额定值为 32 、 125 、 250 、 600 。

概括而言，保险管可以在小于其额定电压的任何电压下使用而不损害其熔断特性。

额定电流可以根据防雷电路的通流量确定。防雷电路中的保险管宜选用防爆型慢熔断保险管。

 

7 、电感、电阻、电容、导线

电感、电阻、电容、导线本身并不是保护器件，但在多个不同保护器件组合构成的防护电路中，可以起到配合的作用。

防护器件中，气体放电管的特点是通流量大、但响应时间慢、冲击击穿电压高； TVS 管的通流量小，响应时间最快，电压钳位特性最好；压敏电阻的特性介于这两者之间，当一个防护电路要求整体通流量大，能够实现精细保护的时候，防护电路往往需要这几种防护器件配合起来实现比较理想的保护特性。但是这些防护器件不能简单的并联起来使用，例如：将通流量大的压敏电阻和通流量小的 TVS 管直接并联，在过电流的作用下， TVS 管会先发生损坏，无法发挥压敏电阻通流量大的优势。因此在几种防护器件配合使用的场合，往往需要电感、电阻、导线等在两种元件之间进行配合。下面对这几种元件分别进行介绍：

电感 ：在某些带馈电的防雷电路中，线路上不能有较大的压降，因此极间电路的配合可以采用电感，如下图：

图 7-1

电感应起到的作用：防雷电路达到设计通流量时（大于 TVS 管的通流量）， TVS 上的过电流不应达到 TVS 管的最大通流量，因此电感需要提供足够的对雷击过电流的限流能力。

以上图电路为例，电感的取值计算方法为：以 8/20us 冲击电流为准，测得在设计通流容量下压敏电阻的残压值 U 1 ，查 TVS 器件手册得到 8/20us 冲击电流作用下 TVS 管的最大通流量 I 1 、以及 TVS 管最高钳位电压 U 2 ， 8/20us 冲击电流的视在波头时间 T 1 ＝ 8us ，视在半峰值时间 T 2 ＝ 20us ，则电感量的最小取值为： L ?≥ （ U 1 -U 2 ）× (T 2 -T 1 )/(I 1 /2) 。上式中，电压单位为伏特，时间单位为秒，电流单位为安培，电感单位为亨特。

电阻： 在不带馈电的信号线路中，线路上串接的元件对高频信号的抑制要尽量少，因此极间配合可以采用电阻，如下图：

 

图 7-2

电阻应起到的作用与前述电感的作用基本相同。以上图为例，电阻的取值计算方法为：测得空气放电管的冲击击穿电压值 U 1 ，查 TVS 器件手册得到 TVS 管 8/20us 冲击电流下的最大通流量 I 1 、以及 TVS 管最高钳位电压 U 2 ，则电阻的最小取值为： R ?≥ （ U 1 -U 2 ） /I 1 。

在信号线路中，电阻的使用应注意的几个问题： 1 、电阻的功率应足够大，避免过电流作用下电阻发生损坏； 2 、尽量使用线性电阻，使电阻对正常信号传输的影响尽量小。

导线： 某些通信设备的满配工作电流很大，这种情况下防雷电路的极间配合采用电感会出现体积过大的问题，为解决这个问题，可以将防雷电路分为两个部分，前级防雷和后级防雷不设计在同一位置上，同时两级电路之间可以利用规定长度的馈电线来做配合。

图 7-3

这种组合形成的防雷电路中，规定长度馈电线所起的作用，与电感的作用是相同的，因为 1 米长导线的电感量在 1 ～ 1.6uH 之间，馈电线达到一定长度，就可以起到良好的配合作用，馈电线的线径可以根据满配工作电流的大小灵活选取，克服了采用电感做极间配合时电感上不能流过很大工作电流的缺点。

 

8 变压器、光耦、 Y 电容

变压器、光耦、 Y 电容本身并不属于保护器件，但端口电路的设计中可以利用这些器件具有的隔离特性来提高端口电路抗过电压的能力。

端口雷击共模保护设计有两种方法：一是线路对地安装限压保护器，当线路引入雷击过电压时，限压保护器成为短路状态将过电流泄放到大地；二是线路上设计隔离元件，隔离元件两边的电路不共地，当线路引入雷击过电压时，这个瞬间过电压施加在隔离元件的两边。只要过电压作用在隔离元件的期间，隔离元件本身不被绝缘击穿，线路上的雷击过电压就不能够转化为过电流进入设备内部，设备的内部电路也就得到了保护。这时线路上只需要设计差模保护，保护电路可以大大简化。例如以太网口的保护就可以采用这种思路。能够实现这种隔离作用的元件主要有：变压器、光耦、 Y 电容等。

这里的变压器主要是指用于信号端口的各种信号传输变压器。变压器一般有初 / 次级间绝缘耐压的指标，变压器的冲击耐压值（适用于雷击）可根据直流耐压值或交流耐压值换算出来。大致的估算公式为：冲击耐压值 =2* 直流耐压值 =3* 交流耐压值。

图 8

上图示出一种将变压器结合在内的信号端口防雷电路设计。雷击时，设备外部的线缆上可感应的对地共模过电压作用在变压器的初级和次级之间，如图 8 。只要初 / 次级不发生绝缘击穿，设备外电缆上的过电压就不会转化为过电流进入设备内部。这时端口只需要做差模保护，有利于简化端口的防雷电路。

采用这种方法设计需要注意的是：变压器、光耦、 Y 电容等元件本身的绝缘耐压能力应很高（例如冲击耐压大于 2kV ），否则在过电压的作用下很容易发生绝缘击穿，不能起到提高端口耐压的作用。另外，利用变压器的隔离特性时，需要注意变压器的初 / 次间有分布电容，某些情况下外部线缆上的共模过电压可通过分布电容从初级耦合到次级，从而进入到内部电路中，这样就影响了变压器的隔离效果，因此应尽量选用带有初次极间屏蔽层的变压器，并将变压器屏蔽层外引线在单板内接地，如图 5-8 所示。这时变压器的有效绝缘耐压变成了初级与屏蔽接地端间的绝缘耐压值。