何謂突波?
1.
突波簡述
在電子電路設計上,我們經常可以聽到 "突波" 這個名詞,但是 "突波" 的真正定義究竟為何?所謂 "突波" ,顧名思義,就是 "突如其來的電波" ,它和 "電流脈衝" 、 "電壓脈衝" 所表達的是相同的現象。
從示波器上來看,在穩定的電流或電壓波形中,如果看到特別突出的異樣波形或雜訊,而且比正常的波幅要大上好幾倍甚至數十數百倍的波形,我們便可以將它判定為突波,當然先決條件必須是你的示波器可以負荷這樣的突波才行。
2.
突波的產生
一般來說,產生突波的主要原因有兩種:一種是由打雷閃電所產生的雷突波,另一種是由電路開閉所造成的開閉突波。
雷突波是由自然界所產生的,因此如果你所設計的電路必須在容易產生打雷的地區使用時,那麼加入適當的過載保護是絕對有其必要的;
開閉突波是電路導通的瞬間所產生的突波,當突波產生的時候,如果你所設計的電路中並沒有所謂的 "突波保護" ,那麼電路便容易因開閉突波而產生誤動作,嚴重一點的狀況可能會導致電路因過載而損壞,或因長時間接受突波的干擾而使電子零件的壽命減短,因此在電路設計上,我們必須儘量避免突波的產生,如果不能避免,則必須加入吸收突波的機制。
容易產生突波的電子零件,以控制電路開閉的相關零件為主,其中包含繼電器(Relay)、開關(switch)、螺管線圈(solenoid)、保險絲(Fuse)、...而 IC 中含有閘流體(thyristor)的開閉控制元件,或是用電晶體所作的交換式穩壓器,... 只要有關於開閉控制的多數元件都是突波的產生源。
3.
突波吸收器
為了預防突波對電路所可能造成的損害,我們有必要加入一些吸收突波的元件作為保護的措施:對於外來的雷突波,我們可以選用避雷裝置,變阻器來保護電路;
至於內部所產生的開閉突波,常用的方法可以加入二極體(zener)或氧化金屬變阻器來做保護,下面便是針對開閉突波的兩種吸收器做介紹:
◆ 二極體箝位(clamp)法所謂二極體箝位法,是在你所設計的電路中,在使用繼電器的裝置旁並聯一個穩壓二極體,當繼電器 OFF 時,繼電器的線圈會產生一個逆向電壓,這時二極體便會導通短路並穩定電壓,將突波吸收掉。
但是這種方法必須使用在較低反應速度的電路中,因為在繼電器 OFF的瞬間,二極體會導通使得繼電器繼續維持在 ON 一小段時間,然後才 OFF,如果系統尚未完全 OFF 便立即 ON,會導致一些誤動作產生,這點要特別注意。
◆ 變阻器(Varistor)
變阻器(Varistor),俗稱突波吸收器(Surge Absorber),是一種會隨著電壓值不同而改變電阻值的電阻器,變阻器當電壓超過額定的電壓值時,變阻器的電阻會急速下降近於短路的狀態,將突波引導進入變阻器內,以熱的方式散發掉,藉以達到穩定電壓及吸收突波電壓之功能,並可因此避免電路元件受到突波電壓之影響而損壞,就一般情況來說,幾乎所有需要穩壓的電子產品均會使用到變阻器,整個應用面包括通訊設備、半導體保護、電力傳輸系統、控制系統等相關電子產品內部電路中。
目前相關產品依其所使用之材料,可分為碳化矽變阻器氧化鋅變阻器及鈦酸鍶變阻器,、而依外型則可分為圓板型,晶片型及環型等類別之產品。
4.
突波吸收與否的波形比較
◆ 二極體箝位實驗
我們使用旗威科技所研發的 AT89C2051 學習板做了一個實驗,測試繼電器在開閉時的突波效應與加入二極體箝位後的差異。
首先在 P3.4 及 P3.5 接腳上與 LED 並聯了繼電器,其中 P3.4 接腳上的繼電器再並聯一個二極體,並利用程式送出每秒兩次的方波,讓繼電器每秒開關兩次。
藉由示波器所量測到的波形,我們可以發現未加上吸收反電動勢的二極體時,突波的電壓高達 80V,與我們所輸入的 12V 高出了近六倍之多,相較之下經過突波吸收的波形是很穩定的 12V,除了少數幾次出現 15V 上下的雜訊波形,過高的電壓大多經由二極體的引導而被吸收了。
同時我們觀察突波的時間間隔,約為 3mS 的時間,換句話說,如果你所使用的訊號反應時間比 3mS 還短的話 那麼便不能使用二極體的箝位法 因為繼電器在 3mS 內都是一直呈現 ON,,的狀態,跟本就不會有 OFF 的動作產生。
如果是直流電源,你可以用以下電路
如果是交流電源,就要用這個
有任何工程專業問題歡迎來信詢問
■ 汎武經銷突波吸收器:士林、SIMO、ASCO
■ 汎武為士林電機的一級經銷商,如需產品選型或詢價,歡迎聯絡我們。