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补全先天缺陷 教你DIY搞定电源防雷器

2016-01-05刘煜康 邓威《微型计算机》2016年1月上

由于打雷造成电器损坏具有非常大的随机性,有的人可能几十年也不会遇到打雷损坏什么电子设备,而有的人可能一年要遇到好几回。而不幸的是,多数PC电源厂商面对这种随机事件的时候,选择了放弃防雷、节省成本的做法。你愿意你的PC在雷雨天气里祈求上天的概率而活吗?倘若答案是否,那么不妨详读此文,我们要做的就是补全厂商在防雷方面的缩水,而且对具有较强动手能力的DIYer来说,方法并不困难……

“碰到雷雨天气要赶紧关机”,估计是不少玩家的心理阴影。且不谈现在使用PC怕被雷击损坏,在小时候估计也因雷雨天看电视被长辈训过多次。不知你有没有想过,为什么雷电本无法进入室内,却也会损坏电器呢?尤其是小时候,这是多数长辈们给不出来的答案,也是我们被强迫关机倍感委屈所在。

室外导线产生感应雷的能力比室内导线更强,室内多受附近的强导设备牵连。
室外导线产生感应雷的能力比室内导线更强,室内多受附近的强导设备牵连。

其实答案很简单,雷击的伤害并不只有直接击中,还有一种叫做感应雷。它来自于雷电发生时产生的巨大电磁脉冲,你可以将其类比为大当量炸弹爆炸时伴随的冲击波。当电磁脉冲被导线感应到时,就会在该导线上产生感应电压。感应电压大小不等,当其大到上千伏时,我们通常将它称为感应雷。极高的电压带给感应雷很大的能量,沿导线传播,并损坏与该导线连接的电器。电源作为PC连接电网的入口,自然是感应雷影响的重灾区。虽说跟PC相关的设备中,不仅仅只有电源受此影响,所有的闭合路径都可能产生感应雷,包括网线以及信号天线等等。但对玩家来说,真正有意义的只有PC电源防雷,其他诸如防雷主板等产品只能是锦上添花。

为何说电源防雷比买防雷主板更重要?

针对安全概念,不少厂商已经推出过防雷主板,曾在过去一段时间成为主板功能的一大卖点。仔细分析,我们发现这类产品主要强化了I/O接口上的防“雷”能力。比如音频口、网口、USB接口等。但由于主板上空间有限,防雷器件的体积都很小,冲击耐受能量(以下简称为冲击容量)相对有限。更多的是设计一种“强化的ESD(静电释放)抵抗”来对待。相对比较有意义的是网口防雷。而家用环境中,多数情况是进户线后面挂一个Modem,Modem再连路由器,路由器才直连PC。中间已经过了两层电气隔离,所以相对比较安全(正规的网络设备在网络接口上都会配备隔离变压器,起到电气隔离的作用)。如今进户主要是光纤,感应雷风险就更加低了。在特殊应用领域则会配备更为专业的防雷电路设计。所以实际上能通过网线冲击PC的感应雷,或者说高压浪涌是比较少的。所以这类防雷主板的噱头较重,实际定位比较尴尬,往往叫好不叫座。

DIY防雷器的原理图
DIY防雷器的原理图

某市售AC线防雷器,价格不菲,而且保护性未见得出色。本文教大家制作的防雷器的性能将比该防雷器更为强大。
某市售AC线防雷器,价格不菲,而且保护性未见得出色。本文教大家制作的防雷器的性能将比该防雷器更为强大。

某工业级户外防雷器拆解后的内部情况,差模、共模均达到10kV,电流能力达5kA。
某工业级户外防雷器拆解后的内部情况,差模、共模均达到10kV,电流能力达5kA。

防雷电源意义在于抵抗来自于AC电源线上的感应雷,与防雷主板的侧重点并不相同,主要是通过在输入线端口上增加防雷器件来实现防护功能。这也是绝大部分户外用电器的做法,比如路灯、广告屏等。这里需要指出的是,和ESD产生的上万伏的电压而没什么能量不同,感应雷上的高压不仅只有高电压,还具有非常大的能量。不少人玩过打火机里的点火器,别看它小,却能产生高达6kV的高压,但被它产生的6kV火花击中完全不会伤人。与之相比,电网上的220V就算碰到一丁点也会产生强烈的触电反应。而感应雷则是集两者强项与一体,具有高压、高能量的特点,破坏性较高。因此,本文将要指导大家DIY一个AC线防雷器,将它接驳在电源的入户线口端,起到吸收雷击能量伤害的作用。

DIY防雷器特点:
1、防雷效果出色。
2、结构简单、制作非常容易。
3、适用于“所有”家庭环境。
4、不仅仅是保护PC,还能兼顾保护周围的所有用电器。

电路原理简介

在制作之前我们需要先讲解一下原理。一个完整的AC线防雷器需包含两重防雷,共模防雷与差模防雷。

差模防雷指火线零线之间的高压抑制。比如我们用的交流电是220V,火线零线之间的峰值电压差约为220×1.414=311V。但当雷击发生时,可能在火线零线之间产生好几千伏的能量脉冲,甚至有时是边上有大型电机起停也会产生这样的脉冲。差模雷一般损坏开关电源的原边器件。所以差模防雷就是保护电源的原边免受损坏。

共模防雷是指火线对地或零线对地之间的高压抑制。相对差模雷来说,共模雷更常见也更加危险。它可以通过Y电容穿过原副边隔离,跑到电源副边的输出电压上去寻找对地的电流通路,同时破坏路径上的所有器件。而副边比较典型的对地电流通路就是主板上的声卡输出,或者显卡输出了。所以共模雷造成危害的典型特征是一坏就坏一大片,而不仅仅是电源。

一个简单但不是非常严谨的理解就是:差模雷打死电源,共模雷打死该电源底接驳的所有电器。在PC领域内,我们能够看见有一些电源里面会有一点差模防雷,但是基本上所有电源都不具备共模防雷。

原理由图2所示。它由MOV1与MOV2并联组成差模防雷,由MOV3-GDT与MOV4-GDT组成共模防雷。MOV,metal-oxide-varistor的缩写,即金属氧化物压敏电阻,它的反应速度合适,能量等级也比较高,缺点就是经受过较多次的冲击以后会产生漏电流,最大钳位电压也难以超过1000V。GDT是Gas discharge tube的缩写,即气体放电管,它的原理就是大家生活中常见的荧光灯管。GDT吸收电压高,耐冲击能力非常强,不会有漏电流,性能也不会劣化,但是反应速度偏慢,而且在辉光放电后有一段较长的持续导通时间。

由于各种防雷器件特性不同,一个综合性能优秀的防雷器肯定会是好几种防雷器件的组合。本电路中,MOV1与MOV2并联,扛电流能力翻倍。它们串联在保险丝上,一方面为了防止巨量过压过流时MOV击穿产生明火,另一方面防止器件劣化后的漏电流过大消耗大量电能,导致发热起火。同时,与保险丝串联的LED支路起到指示灯的作用,在保险丝熔断后能够发光显示,提醒用户及时维护。MOV3、MOV4与GDT串联则是速度互补。另外MOV能够夹断GDT在辉光后的持续导通,GDT也能阻挡MOV的对地漏电流。如果使用的器件正规,这样一个防雷器的吸收能力达到差模6kV,共模10kV。

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