浪涌保護器工作原理

引言

在配置計算機系統時，您可能購買的一個標準元件將是浪涌保護器。浪涌保護器的大部分設計都能提供一個非常明顯的功能——允許多個元件共用一個電源插座。因為計算機系統是由各種不同的元件組成的，所以浪涌保護器確實是一個非常有用的裝置。

但是帶有浪涌保護器的電源板的另一個功能——保護計算機中電子設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，為什么即使您使用了優質浪涌保護器，也可能得不到需要的所有保護。

浪涌基本知識

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

電涌或瞬變電壓是指電壓在電能流動的過程中大幅超過其額定水平。在美國，一般家庭和辦公環境配線的標準電壓是120伏。如果電壓超過了120伏，就會產生問題，而浪涌保護器有助于防止該問題損壞計算機。

為了澄清這一問題，了解一些有關電壓的知識會很有幫助。電壓是一種表示電勢能差額的度量單位。電流能夠從一點流到另一點，是因為電線一端的電勢能比另一端的電勢能大。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著水流向壓力較低的區域。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。

• 當電壓增加持續三毫微秒（十億分之一秒）或更長時間時，被稱為浪涌。
• 當電壓增加僅持續一毫微秒或兩毫微秒時，被稱為尖峰。

如果浪涌或尖峰電壓足夠高，它就可能對計算機造成某種嚴重損壞。這種效果與向水管施加過大水壓十分相似。如果水壓過大，水管將會爆裂。如果電線中的電壓過大，也會發生類似的事情——電線“爆裂”。實際上，它會像電燈泡燈絲一樣發熱并燒斷，但原理相同。增加的電壓即使不會立即損壞計算機，也會使元件過度損耗，長期下來會降低它們的使用壽命。在下一部分中，我們將了解浪涌保護器如何防止此情況的發生。

浪涌保護過程

標準浪涌保護器會將來自電源插座的電流輸送給電源板上插接的多個電氣和電子設備。如果產生浪涌或尖峰，使電壓超過了可接受的級別，浪涌保護器會將多出來的電流轉移到電源插座的地線。

在最常見的浪涌保護器中，都有一個稱為金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）的元件，用來轉移多余的電壓。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，由兩個半導體連接著電源和地線。

這些半導體具有隨著電壓變化而改變的可變電阻。當電壓低于某個特定值時，半導體中的電子運動將產生極高的電阻。反之，當電壓超過該特定值時，電子運動會發生變化，半導體電阻會大幅降低。如果電壓正常，MOV會閑在一旁。而當電壓過高時，MOV可以傳導大量電流，消除多余的電壓。

隨著多余的電流經MOV轉移到地線，火線電壓會恢復正常，從而導致MOV的電阻再次迅速增大。按照這種方式，MOV僅轉移電涌電流，同時允許標準電流繼續為與浪涌保護器連接的設備供電。打個比方說，MOV的作用就類似一個壓敏閥門，只有在壓力過高時才會打開。

其他浪涌保護裝置

另一種常見的浪涌保護裝置是氣體放電管。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移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導體實現此功能。

當電壓處于某一特定范圍時，該氣體的組成決定了它是不良導體。如果電壓出現浪涌并超過這一范圍，電流的強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體。它會將電流傳導至地線，直到電壓恢復正常水平，隨后它又會變成不良導體。

這兩種方法都是采用并聯電路設計——多余的電壓從標準電路流入另一個電路。有幾種浪涌保護器產品使用串聯電路設計抑制電涌——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。基本上說，這些抑制器在檢測到高電壓時會儲存電能，隨后再逐漸釋放它們。制造這種保護器的公司解釋說該方法可以提供更好的保護，因為它反應速度更快，并且不會向地線分流，但另一方面，這種分流可能會干擾建筑物的電力系統。

作為輔助元件，有些浪涌保護器還配有內置保險絲。保險絲是一種電阻器，當電流低于某個標準時，它的導電性能非常好。反之，當電流超過了可接受的標準，電阻產生的熱量會燒斷保險絲，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絲，保護連接的設備。該保險絲只能使用一次，一旦燒斷就需要更換。

有些浪涌保護器具有線路調節系統，用于濾除“線路噪聲”，減小電流波動。這種基本浪涌保護器的系統結構非常簡單。火線通過環形扼流線圈接到電源板插座上。扼流線圈只是一個用磁性材料做成的環，外面纏繞著導線——基本的電磁鐵。火線中所流經電流的上下波動會給電磁鐵充電，使其發出電磁能量，從而消除電流的微小波動。這種“經過調節”的電流更加穩定，可使計算機（或其他電子設備）的供電電流更加平緩。

浪涌源

當某種裝置在電源線中的某點使電荷激增時，就會產生電涌。這會導致電勢能的增加，從而增大流出壁式電源插座的電流。有很多因素可導致發生電涌。

最常見的來源大概是閃電，盡管它實際上很少帶來麻煩。當閃電劃過電源線附近時，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伏的電壓。其帶來的強大電涌將超過幾乎任何浪涌保護器的承受范圍。在雷電交加的暴風雨中，您永遠不可能依賴浪涌保護器來保護計算機，最好的保護方法就是切斷計算機電源。

更常見的電涌源是大功率電氣設備，例如電梯、空調和電冰箱。這些大功率設備在啟動和關閉壓縮機和電動機等部件時需要大量的電能。這種切換操作會產生突然且短暫的電力需求，從而擾亂電力系統的電壓穩定。雖然這些浪涌遠不如閃電帶來的浪涌強，但是它們的強度也足以立即或逐漸損壞設備元件，并且它們會在大多數建筑物電力系統中經常發生。

其他電涌源包括錯誤配線、供電公司的設備問題和電源線老化等等。將電流從發電機傳輸到家庭或辦公環境的變壓器和線路系統非常復雜，其中可能會有很多故障點和錯誤會導致電流不穩。在今天的配電系統中，電涌的發生不可避免。在下一部分中，我們將了解這對您來說意味著什么。

是否需要安裝浪涌保護器

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

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

因此，是否應該安裝浪涌保護器取決于連接到電源的設備種類。

• 沒有理由為電燈泡安裝浪涌保護器，因為電涌可能造成的最壞結果只是燒斷燈絲。
• 而計算機上肯定應該使用浪涌保護器。計算機中的電壓敏感元件很容易被電涌損壞。至少，這種損害將會縮短計算機的使用壽命，而且會很容易刪除存儲的所有數據或損壞系統。計算機是非常昂貴的物品，存儲在里面的數據經常無法替代，因此最經濟的做法就是購買高品質的浪涌保護器。
• 最好也為其他高端電子設備（例如，娛樂中心使用的設備）安裝浪涌保護器。一般而言，浪涌保護器可以延長這些設備的使用壽命。但是，總是有可能出現強大電涌導致設備嚴重損壞的情況。

浪涌保護器的一個問題是，一次較強的電涌就可能將MOV燒毀。因此，最好購買帶指示燈的保護器，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器，您的設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高電壓——為了獲得充分保護，您也應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的線路也都有可能帶來電涌。如果計算機是通過調制解調器連接到電話線的，那么應該安裝一個帶電話線輸入插孔的浪涌保護器。如果同軸電纜線上連接了昂貴的設備，那么也應該考慮使用電纜浪涌保護器，因為這些線路上產生的電涌與電源線上產生的電涌具有同樣的危害。

浪涌保護級別

大多數系統都會存在一些局限。在挑選適合的保護器系統時，需要全面權衡系統的成本與數據丟失或電子設備損壞的成本。這就像購買保險一樣，您應該找到適合自己的保險范圍。

若要保護設備免受浪涌的損害，需要為每個電源插座安裝一個浪涌保護器。這些電源板的質量和容量多種多樣（詳見下一部分）。電源板浪涌保護器有三個基本等級：

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

• 較好的電源板——在美國，售價在15至25美元之間的電源板浪涌保護器，具有更好的評級和更多功能。

• 浪涌保護站——這些大型浪涌保護器可以安裝在計算機下面或地板上。它們可以提供出色的電壓保護和高級線路調節。大部分型號還配有電話線輸入端，用來保護調制解調器免受電涌的損害，并且還可能配備了內置電路斷路器。在美國，只需花30美元就能買到一臺這樣的裝置，而較為高級的型號則可能高達100美元。

• 不間斷電源（UPS）——某些裝置集持續UPS和浪涌保護功能于一身。持續UPS的基本設計是將交流電轉換為直流電，并將其存儲在電池中。隨后，UPS再將電池的直流電轉換回交流電，并將其傳輸到交流電插座為電子設備供電。如果出現了停電，計算機將依靠存儲在電池中的電源繼續運行。這樣您可以有幾分鐘的時間來保存工作，然后關閉計算機。該轉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，此類裝置的售價一般不低于150美元。

雖然普通UPS能提供高水平的保護，但您仍然應該使用浪涌保護器。UPS可以使計算機遠離大部分浪涌，但是它本身可能會遭受嚴重的損害。因為我們可以將基本浪涌保護器僅用于保護UPS，這的確是一個好主意。

一旦確定了需要的浪涌保護級別，您就可以去購買一個合適的浪涌保護裝置。在下一部分中，我們將了解考慮不同型號的保護器時應該注意哪些問題。

浪涌穩定器

您還可以安裝“全住宅”浪涌穩定器。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。這可以保護家庭或辦公環境中的所有電路免受特定范圍內電壓浪涌的損害。為保護整個住宅而設計的裝置，通常安裝在戶外。較好的浪涌穩定器可以處理最大2萬伏的浪涌，而普通電源插座浪涌保護器只能應對6000伏以下的電壓。實際上，一些高端浪涌穩定器還能夠監視天氣情況，當所在地區出現閃電時，穩定器將停止對比較敏感的電子設備供電。
全住宅浪涌穩定器可抑制因外部因素產生的電涌（如公司供電出現問題、變壓器切換等情況時），但對于住宅內由于設備運轉而產生的大量電涌，它起不到任何作用。-

挑選適當的浪涌保護器

購買浪涌保護器時需要非常小心，因為市場上充斥著大量幾乎不起任何作用的產品。研究特定的型號是確保買到合適產品的最佳方法，不過仔細留心幾個質量標志，也能很好地了解產品的性能級別。

首先，查看價格。從常理來講，不要對那些售價低于10美元的浪涌保護器抱有太多期望。這些裝置通常采用簡單、低廉的MOV，容量相當有限，在出現較大浪涌或尖峰時將不能保護您的系統。

當然，價格高并不能保證質量好。在美國，您若要了解設備的容量，需要查看其美國安全檢測實驗室 （UL）標稱值。UL是一個獨立的非贏利公司，它專門為電氣和電子產品提供安全檢測。如果保護器沒有UL標志，它可能就是一個垃圾產品，甚至根本沒有任何保護元件。如果它使用的是MOV，這些MOV的質量可能會非常低劣。廉價的MOV很容易過熱，進而導致整個浪涌保護器起火。實際上，這種事經常發生！

當然，許多具有UL標志的產品也是質量低劣的產品，但最起碼您可以確保它們具有一定的保護能力，可以勉強符合安全標準。您要確保產品標示為瞬變電壓浪涌抑制器。這表示它符合UL 1449標準，即浪涌抑制器的UL最低性能標準。許多帶有UL標志的電源板其實根本就沒有浪涌保護元件，UL的標志只表示它們可以用作延長線纜。

在帶有UL標志的浪涌保護器上，可以發現幾組標稱值。如下所示：

• 箝位電壓——這表示將導致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低，表示保護性能越好。此UL標稱值有三個保護水平——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——此標稱值表示浪涌保護器在燒毀前能夠吸收多少能量，單位為焦耳。其數值越高，保護性能就越好。您購買的保護器的這一標稱值至少要在200至400焦耳之間。若要獲得更好的保護性能，應該尋找此標稱值在600焦耳以上的產品。
  
• 響應時間——浪涌保護器不會立刻斷開；它們對電涌做出響應會有略微的延遲。響應時間越長，表示計算機（或其他設備）將遭受浪涌的持續時間越長。請購買響應時間低于一毫微秒的浪涌保護器。

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

較好的浪涌保護器可能會提供某種性能保證。如果您要購買比較昂貴的設備，請在計算機上尋找帶有質量保證的保護器。如果該設備未能保護計算機免受電涌的損害，制造商肯定會為您更換一臺計算機。當然，這也不能完全保險——仍然有可能丟失硬盤驅動器上的所有數據，這可能會讓您損失慘重——但另一方面，這也是制造商對自己產品有信心的良好表現。

沒有百分之百有效的浪涌保護器，即使是最高端的線路設備也可能出現某種嚴重問題。實際上，電子學專家對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存在的固有缺陷。如果您有興趣了解有關問題的更多信息，并探討浪涌保護技術的固有缺陷，請查看下一頁的鏈接。令人驚訝的是，浪涌保護器是一項極富爭議的技術，人們在網上引發了一輪又一輪的激烈爭論。