浪涌保護(hù)器工作原理

引言

在配置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，您可能購(gòu)買的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元件將是浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器的大部分設(shè)計(jì)都能提供一個(gè)非常明顯的功能——允許多個(gè)元件共用一個(gè)電源插座。因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)是由各種不同的元件組成的，所以浪涌保護(hù)器確實(shí)是一個(gè)非常有用的裝置。

但是帶有浪涌保護(hù)器的電源板的另一個(gè)功能——保護(hù)計(jì)算機(jī)中電子設(shè)備免受電源浪涌的損害——要重要得多。在本文中，我們將了解浪涌保護(hù)器（也稱為浪涌抑制器），揭示其作用、適用情況和工作效果。此外，我們還將介紹它能提供何種水平的保護(hù)，為什么即使您使用了優(yōu)質(zhì)浪涌保護(hù)器，也可能得不到需要的所有保護(hù)。

浪涌基本知識(shí)

浪涌保護(hù)器系統(tǒng)的主要作用是保護(hù)電子設(shè)備免受“浪涌”的損害。因此，如果您想知道浪涌保護(hù)器的作用，就需要弄清楚兩個(gè)問題：什么是浪涌？電子設(shè)備為什么需要它們的保護(hù)？

電涌或瞬變電壓是指電壓在電能流動(dòng)的過程中大幅超過其額定水平。在美國(guó)，一般家庭和辦公環(huán)境配線的標(biāo)準(zhǔn)電壓是120伏。如果電壓超過了120伏，就會(huì)產(chǎn)生問題，而浪涌保護(hù)器有助于防止該問題損壞計(jì)算機(jī)。

為了澄清這一問題，了解一些有關(guān)電壓的知識(shí)會(huì)很有幫助。電壓是一種表示電勢(shì)能差額的度量單位。電流能夠從一點(diǎn)流到另一點(diǎn)，是因?yàn)殡娋€一端的電勢(shì)能比另一端的電勢(shì)能大。這與水在壓力下流出水管的原理相似——水管一端的高壓推動(dòng)著水流向壓力較低的區(qū)域。因此，您可以將電壓看作是電壓力的度量單位。

我們稍后將了解到，有各種因素可以引起電壓的短暫上升。

• 當(dāng)電壓增加持續(xù)三毫微秒（十億分之一秒）或更長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，被稱為浪涌。
• 當(dāng)電壓增加僅持續(xù)一毫微秒或兩毫微秒時(shí)，被稱為尖峰。

如果浪涌或尖峰電壓足夠高，它就可能對(duì)計(jì)算機(jī)造成某種嚴(yán)重?fù)p壞。這種效果與向水管施加過大水壓十分相似。如果水壓過大，水管將會(huì)爆裂。如果電線中的電壓過大，也會(huì)發(fā)生類似的事情——電線“爆裂”。實(shí)際上，它會(huì)像電燈泡燈絲一樣發(fā)熱并燒斷，但原理相同。增加的電壓即使不會(huì)立即損壞計(jì)算機(jī)，也會(huì)使元件過度損耗，長(zhǎng)期下來會(huì)降低它們的使用壽命。在下一部分中，我們將了解浪涌保護(hù)器如何防止此情況的發(fā)生。

浪涌保護(hù)過程

標(biāo)準(zhǔn)浪涌保護(hù)器會(huì)將來自電源插座的電流輸送給電源板上插接的多個(gè)電氣和電子設(shè)備。如果產(chǎn)生浪涌或尖峰，使電壓超過了可接受的級(jí)別，浪涌保護(hù)器會(huì)將多出來的電流轉(zhuǎn)移到電源插座的地線。

在最常見的浪涌保護(hù)器中，都有一個(gè)稱為金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）的元件，用來轉(zhuǎn)移多余的電壓。如下圖所示，MOV將火線和地線連接在一起。

MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料，由兩個(gè)半導(dǎo)體連接著電源和地線。

這些半導(dǎo)體具有隨著電壓變化而改變的可變電阻。當(dāng)電壓低于某個(gè)特定值時(shí)，半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生極高的電阻。反之，當(dāng)電壓超過該特定值時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，半導(dǎo)體電阻會(huì)大幅降低。如果電壓正常，MOV會(huì)閑在一旁。而當(dāng)電壓過高時(shí)，MOV可以傳導(dǎo)大量電流，消除多余的電壓。

一個(gè)由線路調(diào)節(jié)部分和保險(xiǎn)絲組成的簡(jiǎn)單MOV浪涌保護(hù)器

隨著多余的電流經(jīng)MOV轉(zhuǎn)移到地線，火線電壓會(huì)恢復(fù)正常，從而導(dǎo)致MOV的電阻再次迅速增大。按照這種方式，MOV僅轉(zhuǎn)移電涌電流，同時(shí)允許標(biāo)準(zhǔn)電流繼續(xù)為與浪涌保護(hù)器連接的設(shè)備供電。打個(gè)比方說，MOV的作用就類似一個(gè)壓敏閥門，只有在壓力過高時(shí)才會(huì)打開。

其他浪涌保護(hù)裝置

另一種常見的浪涌保護(hù)裝置是氣體放電管。這些氣體放電管的作用與MOV相同 ——它們將多余的電流從火線轉(zhuǎn)移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。

當(dāng)電壓處于某一特定范圍時(shí)，該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍，電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離，從而使氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會(huì)將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后它又會(huì)變成不良導(dǎo)體。

這兩種方法都是采用并聯(lián)電路設(shè)計(jì)——多余的電壓從標(biāo)準(zhǔn)電路流入另一個(gè)電路。有幾種浪涌保護(hù)器產(chǎn)品使用串聯(lián)電路設(shè)計(jì)抑制電涌——它們不是將多余的電流分流到另一條線路，而是通過降低流過火線的電量?；旧险f，這些抑制器在檢測(cè)到高電壓時(shí)會(huì)儲(chǔ)存電能，隨后再逐漸釋放它們。制造這種保護(hù)器的公司解釋說該方法可以提供更好的保護(hù)，因?yàn)樗磻?yīng)速度更快，并且不會(huì)向地線分流，但另一方面，這種分流可能會(huì)干擾建筑物的電力系統(tǒng)。

作為輔助元件，有些浪涌保護(hù)器還配有內(nèi)置保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲是一種電阻器，當(dāng)電流低于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，它的導(dǎo)電性能非常好。反之，當(dāng)電流超過了可接受的標(biāo)準(zhǔn)，電阻產(chǎn)生的熱量會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲，從而切斷電路。如果MOV不能抑制電涌，過高的電流將燒斷保險(xiǎn)絲，保護(hù)連接的設(shè)備。該保險(xiǎn)絲只能使用一次，一旦燒斷就需要更換。

具有線路調(diào)節(jié)扼流圈的浪涌保護(hù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

有些浪涌保護(hù)器具有線路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于濾除“線路噪聲”，減小電流波動(dòng)。這種基本浪涌保護(hù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。火線通過環(huán)形扼流線圈接到電源板插座上。扼流線圈只是一個(gè)用磁性材料做成的環(huán)，外面纏繞著導(dǎo)線——基本的電磁鐵?；鹁€中所流經(jīng)電流的上下波動(dòng)會(huì)給電磁鐵充電，使其發(fā)出電磁能量，從而消除電流的微小波動(dòng)。這種“經(jīng)過調(diào)節(jié)”的電流更加穩(wěn)定，可使計(jì)算機(jī)（或其他電子設(shè)備）的供電電流更加平緩。

浪涌源

當(dāng)某種裝置在電源線中的某點(diǎn)使電荷激增時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電涌。這會(huì)導(dǎo)致電勢(shì)能的增加，從而增大流出壁式電源插座的電流。有很多因素可導(dǎo)致發(fā)生電涌。

最常見的來源大概是閃電，盡管它實(shí)際上很少帶來麻煩。當(dāng)閃電劃過電源線附近時(shí)，無論電源線是埋在地下、置于建筑物中還是沿著電線桿延伸，閃電電能都可以增加幾百萬(wàn)伏的電壓。其帶來的強(qiáng)大電涌將超過幾乎任何浪涌保護(hù)器的承受范圍。在雷電交加的暴風(fēng)雨中，您永遠(yuǎn)不可能依賴?yán)擞勘Ｗo(hù)器來保護(hù)計(jì)算機(jī)，最好的保護(hù)方法就是切斷計(jì)算機(jī)電源。

更常見的電涌源是大功率電氣設(shè)備，例如電梯、空調(diào)和電冰箱。這些大功率設(shè)備在啟動(dòng)和關(guān)閉壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)等部件時(shí)需要大量的電能。這種切換操作會(huì)產(chǎn)生突然且短暫的電力需求，從而擾亂電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。雖然這些浪涌遠(yuǎn)不如閃電帶來的浪涌強(qiáng)，但是它們的強(qiáng)度也足以立即或逐漸損壞設(shè)備元件，并且它們會(huì)在大多數(shù)建筑物電力系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生。

其他電涌源包括錯(cuò)誤配線、供電公司的設(shè)備問題和電源線老化等等。將電流從發(fā)電機(jī)傳輸?shù)郊彝セ蜣k公環(huán)境的變壓器和線路系統(tǒng)非常復(fù)雜，其中可能會(huì)有很多故障點(diǎn)和錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致電流不穩(wěn)。在今天的配電系統(tǒng)中，電涌的發(fā)生不可避免。在下一部分中，我們將了解這對(duì)您來說意味著什么。

是否需要安裝浪涌保護(hù)器

在上一部分中，我們了解到電涌是一種常見現(xiàn)象，在我們目前的家庭和辦公供電系統(tǒng)中是不可避免的。這就產(chǎn)生了一個(gè)有趣的問題：如果電涌是電力系統(tǒng)固有的現(xiàn)象，為什么在50年前我們的家庭中就不需要浪涌保護(hù)器呢？

回答是，現(xiàn)代電子設(shè)備（例如，計(jì)算機(jī)、微波爐、DVD播放器）非常復(fù)雜，其中的很多元器件要比以前機(jī)器中的元器件更小和更精密，因此它們對(duì)電流的增加更敏感。微處理器是所有計(jì)算機(jī)和許多家用設(shè)備中不可缺少的部件，它們對(duì)電涌特別敏感。只有在電壓正常、電流穩(wěn)定的條件下，才能正常工作。

因此，是否應(yīng)該安裝浪涌保護(hù)器取決于連接到電源的設(shè)備種類。

• 沒有理由為電燈泡安裝浪涌保護(hù)器，因?yàn)殡娪靠赡茉斐傻淖顗慕Y(jié)果只是燒斷燈絲。
• 而計(jì)算機(jī)上肯定應(yīng)該使用浪涌保護(hù)器。計(jì)算機(jī)中的電壓敏感元件很容易被電涌損壞。至少，這種損害將會(huì)縮短計(jì)算機(jī)的使用壽命，而且會(huì)很容易刪除存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)或損壞系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)是非常昂貴的物品，存儲(chǔ)在里面的數(shù)據(jù)經(jīng)常無法替代，因此最經(jīng)濟(jì)的做法就是購(gòu)買高品質(zhì)的浪涌保護(hù)器。
• 最好也為其他高端電子設(shè)備（例如，娛樂中心使用的設(shè)備）安裝浪涌保護(hù)器。一般而言，浪涌保護(hù)器可以延長(zhǎng)這些設(shè)備的使用壽命。但是，總是有可能出現(xiàn)強(qiáng)大電涌導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞的情況。

                                                                                          

浪涌保護(hù)器的一個(gè)問題是，一次較強(qiáng)的電涌就可能將MOV燒毀。因此，最好購(gòu)買帶指示燈的保護(hù)器，以便判斷它是否工作正常。

即使您為所有的電源插座都連接了浪涌保護(hù)器，您的設(shè)備還是有可能受到來自其他電涌源的破壞。電話和電纜線路也可能傳導(dǎo)高電壓——為了獲得充分保護(hù)，您也應(yīng)該防范來自電話或電纜線路的電涌。由于閃電或許多其他因素，任何向家中傳入信號(hào)的線路也都有可能帶來電涌。如果計(jì)算機(jī)是通過調(diào)制解調(diào)器連接到電話線的，那么應(yīng)該安裝一個(gè)帶電話線輸入插孔的浪涌保護(hù)器。如果同軸電纜線上連接了昂貴的設(shè)備，那么也應(yīng)該考慮使用電纜浪涌保護(hù)器，因?yàn)檫@些線路上產(chǎn)生的電涌與電源線上產(chǎn)生的電涌具有同樣的危害。

浪涌保護(hù)級(jí)別

大多數(shù)系統(tǒng)都會(huì)存在一些局限。在挑選適合的保護(hù)器系統(tǒng)時(shí)，需要全面權(quán)衡系統(tǒng)的成本與數(shù)據(jù)丟失或電子設(shè)備損壞的成本。這就像購(gòu)買保險(xiǎn)一樣，您應(yīng)該找到適合自己的保險(xiǎn)范圍。

若要保護(hù)設(shè)備免受浪涌的損害，需要為每個(gè)電源插座安裝一個(gè)浪涌保護(hù)器。這些電源板的質(zhì)量和容量多種多樣（詳見下一部分）。電源板浪涌保護(hù)器有三個(gè)基本等級(jí)：

• 基本電源板——這是一些具有五、六個(gè)電源插座的基本延長(zhǎng)線纜部件。通常，這些型號(hào)僅能提供基本的保護(hù)。

• 較好的電源板——在美國(guó)，售價(jià)在15至25美元之間的電源板浪涌保護(hù)器，具有更好的評(píng)級(jí)和更多功能。

• 浪涌保護(hù)站——這些大型浪涌保護(hù)器可以安裝在計(jì)算機(jī)下面或地板上。它們可以提供出色的電壓保護(hù)和高級(jí)線路調(diào)節(jié)。大部分型號(hào)還配有電話線輸入端，用來保護(hù)調(diào)制解調(diào)器免受電涌的損害，并且還可能配備了內(nèi)置電路斷路器。在美國(guó)，只需花30美元就能買到一臺(tái)這樣的裝置，而較為高級(jí)的型號(hào)則可能高達(dá)100美元。

• 不間斷電源（UPS）——某些裝置集持續(xù)UPS和浪涌保護(hù)功能于一身。持續(xù)UPS的基本設(shè)計(jì)是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并將其存儲(chǔ)在電池中。隨后，UPS再將電池的直流電轉(zhuǎn)換回交流電，并將其傳輸?shù)浇涣麟姴遄鶠殡娮釉O(shè)備供電。如果出現(xiàn)了停電，計(jì)算機(jī)將依靠存儲(chǔ)在電池中的電源繼續(xù)運(yùn)行。這樣您可以有幾分鐘的時(shí)間來保存工作，然后關(guān)閉計(jì)算機(jī)。該轉(zhuǎn)換過程還可以消除來自交流電插座的大部分線路噪聲。在美國(guó)，此類裝置的售價(jià)一般不低于150美元。

雖然普通UPS能提供高水平的保護(hù)，但您仍然應(yīng)該使用浪涌保護(hù)器。UPS可以使計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離大部分浪涌，但是它本身可能會(huì)遭受嚴(yán)重的損害。因?yàn)槲覀兛梢詫⒒纠擞勘Ｗo(hù)器僅用于保護(hù)UPS，這的確是一個(gè)好主意。

一旦確定了需要的浪涌保護(hù)級(jí)別，您就可以去購(gòu)買一個(gè)合適的浪涌保護(hù)裝置。在下一部分中，我們將了解考慮不同型號(hào)的保護(hù)器時(shí)應(yīng)該注意哪些問題。

浪涌穩(wěn)定器

您還可以安裝“全住宅”浪涌穩(wěn)定器。通常，這些裝置安裝在電表附近，電源線就是從這里接入建筑物的。這可以保護(hù)家庭或辦公環(huán)境中的所有電路免受特定范圍內(nèi)電壓浪涌的損害。為保護(hù)整個(gè)住宅而設(shè)計(jì)的裝置，通常安裝在戶外。較好的浪涌穩(wěn)定器可以處理最大2萬(wàn)伏的浪涌，而普通電源插座浪涌保護(hù)器只能應(yīng)對(duì)6000伏以下的電壓。實(shí)際上，一些高端浪涌穩(wěn)定器還能夠監(jiān)視天氣情況，當(dāng)所在地區(qū)出現(xiàn)閃電時(shí)，穩(wěn)定器將停止對(duì)比較敏感的電子設(shè)備供電。 
全住宅浪涌穩(wěn)定器可抑制因外部因素產(chǎn)生的電涌（如公司供電出現(xiàn)問題、變壓器切換等情況時(shí)），但對(duì)于住宅內(nèi)由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的大量電涌，它起不到任何作用。-

挑選適當(dāng)?shù)睦擞勘Ｗo(hù)器

購(gòu)買浪涌保護(hù)器時(shí)需要非常小心，因?yàn)槭袌?chǎng)上充斥著大量幾乎不起任何作用的產(chǎn)品。研究特定的型號(hào)是確保買到合適產(chǎn)品的最佳方法，不過仔細(xì)留心幾個(gè)質(zhì)量標(biāo)志，也能很好地了解產(chǎn)品的性能級(jí)別。

首先，查看價(jià)格。從常理來講，不要對(duì)那些售價(jià)低于10美元的浪涌保護(hù)器抱有太多期望。這些裝置通常采用簡(jiǎn)單、低廉的MOV，容量相當(dāng)有限，在出現(xiàn)較大浪涌或尖峰時(shí)將不能保護(hù)您的系統(tǒng)。

當(dāng)然，價(jià)格高并不能保證質(zhì)量好。在美國(guó)，您若要了解設(shè)備的容量，需要查看其美國(guó)安全檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室 （UL）標(biāo)稱值。UL是一個(gè)獨(dú)立的非贏利公司，它專門為電氣和電子產(chǎn)品提供安全檢測(cè)。如果保護(hù)器沒有UL標(biāo)志，它可能就是一個(gè)垃圾產(chǎn)品，甚至根本沒有任何保護(hù)元件。如果它使用的是MOV，這些MOV的質(zhì)量可能會(huì)非常低劣。廉價(jià)的MOV很容易過熱，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)浪涌保護(hù)器起火。實(shí)際上，這種事經(jīng)常發(fā)生！

當(dāng)然，許多具有UL標(biāo)志的產(chǎn)品也是質(zhì)量低劣的產(chǎn)品，但最起碼您可以確保它們具有一定的保護(hù)能力，可以勉強(qiáng)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。您要確保產(chǎn)品標(biāo)示為瞬變電壓浪涌抑制器。這表示它符合UL 1449標(biāo)準(zhǔn)，即浪涌抑制器的UL最低性能標(biāo)準(zhǔn)。許多帶有UL標(biāo)志的電源板其實(shí)根本就沒有浪涌保護(hù)元件，UL的標(biāo)志只表示它們可以用作延長(zhǎng)線纜。

在帶有UL標(biāo)志的浪涌保護(hù)器上，可以發(fā)現(xiàn)幾組標(biāo)稱值。如下所示：

• 箝位電壓——這表示將導(dǎo)致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低，表示保護(hù)性能越好。此UL標(biāo)稱值有三個(gè)保護(hù)水平——330伏、400伏和500伏。通常，箝位電壓超過400伏就太高了。 
  
• 能量吸收/耗散能力——此標(biāo)稱值表示浪涌保護(hù)器在燒毀前能夠吸收多少能量，單位為焦耳。其數(shù)值越高，保護(hù)性能就越好。您購(gòu)買的保護(hù)器的這一標(biāo)稱值至少要在200至400焦耳之間。若要獲得更好的保護(hù)性能，應(yīng)該尋找此標(biāo)稱值在600焦耳以上的產(chǎn)品。 
  
• 響應(yīng)時(shí)間——浪涌保護(hù)器不會(huì)立刻斷開；它們對(duì)電涌做出響應(yīng)會(huì)有略微的延遲。響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，表示計(jì)算機(jī)（或其他設(shè)備）將遭受浪涌的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。請(qǐng)購(gòu)買響應(yīng)時(shí)間低于一毫微秒的浪涌保護(hù)器。

此外，您還應(yīng)該購(gòu)買具有指示燈的保護(hù)器，以便判斷保護(hù)元件是否在起作用。在遭受多次電涌之后，所有MOV都將會(huì)燒毀，但是保護(hù)器仍然會(huì)作為一個(gè)電源板而工作。沒有電源指示燈，就無法得知保護(hù)器是否仍然在正常工作。

這是一款貝爾金SurgeMaster II中型浪涌保護(hù)器，上面帶有電話線接口

較好的浪涌保護(hù)器可能會(huì)提供某種性能保證。如果您要購(gòu)買比較昂貴的設(shè)備，請(qǐng)?jiān)谟?jì)算機(jī)上尋找?guī)в匈|(zhì)量保證的保護(hù)器。如果該設(shè)備未能保護(hù)計(jì)算機(jī)免受電涌的損害，制造商肯定會(huì)為您更換一臺(tái)計(jì)算機(jī)。當(dāng)然，這也不能完全保險(xiǎn)——仍然有可能丟失硬盤驅(qū)動(dòng)器上的所有數(shù)據(jù)，這可能會(huì)讓您損失慘重——但另一方面，這也是制造商對(duì)自己產(chǎn)品有信心的良好表現(xiàn)。

沒有百分之百有效的浪涌保護(hù)器，即使是最高端的線路設(shè)備也可能出現(xiàn)某種嚴(yán)重問題。實(shí)際上，電子學(xué)專家對(duì)消除電涌的最佳方法也存在一些分歧，不同的制造商還在相互詬病各自技術(shù)存在的固有缺陷。如果您有興趣了解有關(guān)問題的更多信息，并探討浪涌保護(hù)技術(shù)的固有缺陷，請(qǐng)查看下一頁(yè)的鏈接。令人驚訝的是，浪涌保護(hù)器是一項(xiàng)極富爭(zhēng)議的技術(shù)，人們?cè)诰W(wǎng)上引發(fā)了一輪又一輪的激烈爭(zhēng)論。