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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。

Tips:材料与工具准备

材料汇总,看似繁琐,其实东西都非常易得,且便宜。
材料汇总,看似繁琐,其实东西都非常易得,且便宜。

所需材料:

1、621Ф20的MOV两枚。(其中621代表电压指标621k,Ф指器件直径,直径越大的器件容量越大,电流耐受能力越强。有时也用D表示。以下MOV和GDT雷同)
2、471Ф10的MOV两枚。
3、1000VФ8的GDT一枚。
4、5A保险丝一枚,最好是防爆型。
5、尺寸大于50mm×50mm的万用板一片。
6、大小合适的热缩套管,以及优质的AC线材。
7、LED灯,LED需要双向导通型,也可以用两个LED反向并联,否则LED上电后闪一下就被高反向电压击穿了。
8、指示灯支路用的电阻,可以使用200k~300kΩ之间的任意值,但是必须是功率能力在3W以上的型号。
MOV与GDT器件笔者主要推荐君耀品牌,它们的整体性能都很不错。网购的话部分器件可能有起售数量,那么多买几份,多做几个出来也不错。所有这些材料加起来一个防雷器的成本不到20元。工具就更简单了,主要是电烙铁、焊锡丝,其他都就是些家庭常备工具。

制作要点

Step1:打磨电路板

电路原理图非常简单,笔者也提供一个器件摆放方式,如图6。在动手之前,我们必需将MOV与GDT底部的万用板镂空,并去掉除了连线以外的多余焊盘,以增加爬电距离、避免高压拉弧。这就需要先将所有的器件插到万用板上,用记号笔圈出所用的焊点,画上连线和开槽的位置。画好后拆下器件,用小刀等工具将万用板上的铜焊盘刮掉,注意要刮干净。然后在一些距离较近的位置开槽处理。搞破坏的方法与工具多种多样,大家可以即兴发挥。

元器件具体安放、连接示意图。
元器件具体安放、连接示意图。

打磨好的万用板备用
打磨好的万用板备用

Step2:包裹热缩套管

接下来为所有的元器件都包上一层热缩套管(如图8),防止高能击碎时伤害到人或物。其中体积较大的MOV不方便为其包套管的话,用电工胶布缠上几圈也可以。处理好后将它们装到板子上,导线连通就完成了防雷器的主体(如图9、10)。需要注意的是焊点要焊牢,导线用稍粗一点的,避免在防雷器吸收能量时被几千安培的电流熔断。当然,为了方便和安全,给输入接线做一个插头是最好的选择。

包裹处理之后的元器件。注意,为了方便后文中演示防雷器效果,笔者没有给GDT装套管,实际操作时不能落下。
包裹处理之后的元器件。注意,为了方便后文中演示防雷器效果,笔者没有给GDT装套管,实际操作时不能落下。

DIY防雷器的顶部和底面。用器件多余的引脚来做电路板上的导线就是个不错的小技巧。

DIY防雷器的顶部和底面。用器件多余的引脚来做电路板上的导线就是个不错的小技巧。
DIY防雷器的顶部和底面。用器件多余的引脚来做电路板上的导线就是个不错的小技巧。

Step3:线路检验

仔细检查线路,无误的话接下来是上电尝试。虽然电路简单,但还是进行检测避免装错或者买到劣质零件。否则冒然给防雷器上电使用可能会导致损失。这一步涉及到220V危险电压,所以大家需要注意安全。在通电检验前,必须确认现场可以承受跳闸的风险(比如白天,没有什么家用电器工作时)。首先找两个有开关的插排,保持插排关闭状态,插排1接在电网端,插排2接在插排1上并下挂防雷器。然后将插排2的开关打开,用个小箱子把插排2与防雷器罩起来,小箱子开个小洞保证能够看见防雷器的LED灯。接下来打开插排1的开关,给防雷器通电。正常情况下,除了指示灯亮起以外不会出现任何的现象。持续上电3~5分钟,LED灯应该是持续亮起的。断电,2秒后用手触摸防雷器的器件,没有任何器件发热说明一切正常,这就算制作成功了。这里笔者将准备过程说得小心翼翼有点吓人,其实正确操作并没有这么可怕,只是本着安全第一为大家提醒。

封装、连接示意图,有条件的玩家最好用RTV胶或者热熔胶将防雷器主体灌封。
封装、连接示意图,有条件的玩家最好用RTV胶或者热熔胶将防雷器主体灌封。

本次实验用的电源设备
本次实验用的电源设备

效果验证平台,雷电发生模拟器连接示意,单个设备规格、作用讲解见图14、15、16。
效果验证平台,雷电发生模拟器连接示意,单个设备规格、作用讲解。

Step4:装盒待用

经过测试后,剩下的就是找一个大小合适的绝缘盒子将我们DIY的防雷器装起来,不仅为了好看也为了安全和更可靠。盒子可以是不用的塑料小瓶,当然如果有条件的话尽量用RTV胶,或者热熔胶将它灌封。最后还需要接驳一公口、一母口插座,公口连接插线板,母口直接接驳电源,把LNE三条线对应的接到插座上就可以长期使用了(如图11所示)。在电路上看来所有的用电器都是并联在电网上的,所以一只防雷器可以守护不止一个电器。另由于该防雷器容量冗余非常的大,在室内使用的情况下,这样一个防雷器用上十好几年都是很可能的。

雷击浪涌专用隔离调压器:远方GT2502.
雷击浪涌专用隔离调压器:远方GT2502.

浪涌发生器:远方EMS61000-5H。
浪涌发生器:远方EMS61000-5H。

耦合/去耦网络:远方SGN-2H。
耦合/去耦网络:远方SGN-2H。

效果验证

为了验证DIY防雷器的效果,笔者贡献出自己的一台电源为大家了做个示范。实验用雷击浪涌发生器与耦合网络产生人工雷击,同时需要一个专用的隔离电源来把试验区域与电网隔离开来。由于该防雷器已经是成熟的设计,笔者就直接上差模6kV、共模10kV的高指标为读者们进行演示,这个指标对于室内应用而言基本上是不会出现的高能量级别。

差模分正负脉冲每30秒一次共打12次,共模也是每30秒一次打16次,打雷期间机器是上电工作的。6kV差模打下来测量到的最大电流是两千余安培,10kV共模测量到的最大电流是千余安培。打完一轮雷击下来机器没有损坏,负载上面也没有发现过高的电压,除了共模雷击释放时GDT发生辉光放电以外,全程并没有什么特别的事情发生。事实上为了抓拍到效果理想的示意图,笔者又额外打了好几轮。最后防雷器和机器均没有损坏,甚至毫无冲击抵抗能力的LED指示灯也没有损坏。可见该防雷器是很皮实的。

雷击实验中,为了安全起见,外面罩了一个透明亚克力罩子,读者尝试时也可以借鉴此法。
雷击实验中,为了安全起见,外面罩了一个透明亚克力罩子,读者尝试时也可以借鉴此法。

去掉防雷器后再次实验。在降低了能量标准的前提下,实验电源也无法正常通过差模雷模拟测试,共模就更来不及尝试了。差模雷模拟下被打爆的X电容。
去掉防雷器后再次实验。在降低了能量标准的前提下,实验电源也无法正常通过差模雷模拟测试,共模就更来不及尝试了。差模雷模拟下被打爆的X电容。

共模雷击脉冲瞬间,气体放电管被击穿出现高压辉光放电。击穿发光过程中的连续四帧图像。
共模雷击脉冲瞬间,气体放电管被击穿出现高压辉光放电。击穿发光过程中的连续四帧图像。

实验电源在去掉防雷器后被差模雷烧焦的芯片(由于技术保密原因,笔者拍照时已经将PFC芯片转移了安放位置)。

接下来把防雷器去掉,为了避免损坏仪器,笔者将放电等级调低至4kV差模、6kV共模再打一轮。结果在差模第4个脉冲的时候,X电容爆裂,但机器尚能够正常工作。第六个脉冲时机器连续出现3处火花,停止了工作—显然坏得不轻。由于机器还没挺过差模实验就已经死亡,所以共模雷击就没有进行实验。拆解分析发现PFC控制芯片表面烧焦、MOS管击穿、保险丝熔断,三处火花由此来,仔细看母线电容也轻微鼓起,估计还有更多损坏部位。前后对比,可知DIY防雷器的优秀效果。

很显然,经过我们的验证,该防雷器确实能起到防雷的作用。但是由于钳位电压依然高于电网电压,所以一些劣质或者设计不完善的电器还是有可能被打雷损坏。“任何防雷设备都不可能做到100%的防护”这一点是业界公认的。所以笔者并不敢肯定有它之后,你的所有家电都能固若金汤,但至少风险已经大大降低,且DIY操作并不复杂,为自己的设备增加一层保护何乐而不为呢?

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