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              補全先天缺陷 教你DIY搞定電源防雷器

              2016-01-05劉煜康 鄧威《微型計算機》2016年1月上

              由于打雷造成電器損壞具有非常大的隨機性,有的人可能幾十年也不會遇到打雷損壞什么電子設備,而有的人可能一年要遇到好幾回。而不幸的是,多數PC電源廠商面對這種隨機事件的時候,選擇了放棄防雷、節省成本的做法。你愿意你的PC在雷雨天氣里祈求上天的概率而活嗎?倘若答案是否,那么不妨詳讀此文,我們要做的就是補全廠商在防雷方面的縮水,而且對具有較強動手能力的DIYer來說,方法并不困難……

              “碰到雷雨天氣要趕緊關機”,估計是不少玩家的心理陰影。且不談現在使用PC怕被雷擊損壞,在小時候估計也因雷雨天看電視被長輩訓過多次。不知你有沒有想過,為什么雷電本無法進入室內,卻也會損壞電器呢?尤其是小時候,這是多數長輩們給不出來的答案,也是我們被強迫關機倍感委屈所在。

              室外導線產生感應雷的能力比室內導線更強,室內多受附近的強導設備牽連。
              室外導線產生感應雷的能力比室內導線更強,室內多受附近的強導設備牽連。

              其實答案很簡單,雷擊的傷害并不只有直接擊中,還有一種叫做感應雷。它來自于雷電發生時產生的巨大電磁脈沖,你可以將其類比為大當量炸彈爆炸時伴隨的沖擊波。當電磁脈沖被導線感應到時,就會在該導線上產生感應電壓。感應電壓大小不等,當其大到上千伏時,我們通常將它稱為感應雷。極高的電壓帶給感應雷很大的能量,沿導線傳播,并損壞與該導線連接的電器。電源作為PC連接電網的入口,自然是感應雷影響的重災區。雖說跟PC相關的設備中,不僅僅只有電源受此影響,所有的閉合路徑都可能產生感應雷,包括網線以及信號天線等等。但對玩家來說,真正有意義的只有PC電源防雷,其他諸如防雷主板等產品只能是錦上添花。

              為何說電源防雷比買防雷主板更重要?

              針對安全概念,不少廠商已經推出過防雷主板,曾在過去一段時間成為主板功能的一大賣點。仔細分析,我們發現這類產品主要強化了I/O接口上的防“雷”能力。比如音頻口、網口、USB接口等。但由于主板上空間有限,防雷器件的體積都很小,沖擊耐受能量(以下簡稱為沖擊容量)相對有限。更多的是設計一種“強化的ESD(靜電釋放)抵抗”來對待。相對比較有意義的是網口防雷。而家用環境中,多數情況是進戶線后面掛一個Modem,Modem再連路由器,路由器才直連PC。中間已經過了兩層電氣隔離,所以相對比較安全(正規的網絡設備在網絡接口上都會配備隔離變壓器,起到電氣隔離的作用)。如今進戶主要是光纖,感應雷風險就更加低了。在特殊應用領域則會配備更為專業的防雷電路設計。所以實際上能通過網線沖擊PC的感應雷,或者說高壓浪涌是比較少的。所以這類防雷主板的噱頭較重,實際定位比較尷尬,往往叫好不叫座。

              DIY防雷器的原理圖
              DIY防雷器的原理圖

              某市售AC線防雷器,價格不菲,而且保護性未見得出色。本文教大家制作的防雷器的性能將比該防雷器更為強大。
              某市售AC線防雷器,價格不菲,而且保護性未見得出色。本文教大家制作的防雷器的性能將比該防雷器更為強大。

              某工業級戶外防雷器拆解后的內部情況,差模、共模均達到10kV,電流能力達5kA。
              某工業級戶外防雷器拆解后的內部情況,差模、共模均達到10kV,電流能力達5kA。

              防雷電源意義在于抵抗來自于AC電源線上的感應雷,與防雷主板的側重點并不相同,主要是通過在輸入線端口上增加防雷器件來實現防護功能。這也是絕大部分戶外用電器的做法,比如路燈、廣告屏等。這里需要指出的是,和ESD產生的上萬伏的電壓而沒什么能量不同,感應雷上的高壓不僅只有高電壓,還具有非常大的能量。不少人玩過打火機里的點火器,別看它小,卻能產生高達6kV的高壓,但被它產生的6kV火花擊中完全不會傷人。與之相比,電網上的220V就算碰到一丁點也會產生強烈的觸電反應。而感應雷則是集兩者強項與一體,具有高壓、高能量的特點,破壞性較高。因此,本文將要指導大家DIY一個AC線防雷器,將它接駁在電源的入戶線口端,起到吸收雷擊能量傷害的作用。

              DIY防雷器特點:
              1、防雷效果出色。
              2、結構簡單、制作非常容易。
              3、適用于“所有”家庭環境。
              4、不僅僅是保護PC,還能兼顧保護周圍的所有用電器。

              電路原理簡介

              在制作之前我們需要先講解一下原理。一個完整的AC線防雷器需包含兩重防雷,共模防雷與差模防雷。

              差模防雷指火線零線之間的高壓抑制。比如我們用的交流電是220V,火線零線之間的峰值電壓差約為220×1.414=311V。但當雷擊發生時,可能在火線零線之間產生好幾千伏的能量脈沖,甚至有時是邊上有大型電機起停也會產生這樣的脈沖。差模雷一般損壞開關電源的原邊器件。所以差模防雷就是保護電源的原邊免受損壞。

              共模防雷是指火線對地或零線對地之間的高壓抑制。相對差模雷來說,共模雷更常見也更加危險。它可以通過Y電容穿過原副邊隔離,跑到電源副邊的輸出電壓上去尋找對地的電流通路,同時破壞路徑上的所有器件。而副邊比較典型的對地電流通路就是主板上的聲卡輸出,或者顯卡輸出了。所以共模雷造成危害的典型特征是一壞就壞一大片,而不僅僅是電源。

              一個簡單但不是非常嚴謹的理解就是:差模雷打死電源,共模雷打死該電源底接駁的所有電器。在PC領域內,我們能夠看見有一些電源里面會有一點差模防雷,但是基本上所有電源都不具備共模防雷。

              原理由圖2所示。它由MOV1與MOV2并聯組成差模防雷,由MOV3-GDT與MOV4-GDT組成共模防雷。MOV,metal-oxide-varistor的縮寫,即金屬氧化物壓敏電阻,它的反應速度合適,能量等級也比較高,缺點就是經受過較多次的沖擊以后會產生漏電流,大鉗位電壓也難以超過1000V。GDT是Gas discharge tube的縮寫,即氣體放電管,它的原理就是大家生活中常見的熒光燈管。GDT吸收電壓高,耐沖擊能力非常強,不會有漏電流,性能也不會劣化,但是反應速度偏慢,而且在輝光放電后有一段較長的持續導通時間。

              由于各種防雷器件特性不同,一個綜合性能優秀的防雷器肯定會是好幾種防雷器件的組合。本電路中,MOV1與MOV2并聯,扛電流能力翻倍。它們串聯在保險絲上,一方面為了防止巨量過壓過流時MOV擊穿產生明火,另一方面防止器件劣化后的漏電流過大消耗大量電能,導致發熱起火。同時,與保險絲串聯的LED支路起到指示燈的作用,在保險絲熔斷后能夠發光顯示,提醒用戶及時維護。MOV3、MOV4與GDT串聯則是速度互補。另外MOV能夠夾斷GDT在輝光后的持續導通,GDT也能阻擋MOV的對地漏電流。如果使用的器件正規,這樣一個防雷器的吸收能力達到差模6kV,共模10kV。

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