本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之氣體放電管以及一些常用的電路。

 

1、概述:

 

防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、保險管、熔斷器、空氣開關、還有電感、電阻、電容等。

 

下面我們首先來詳細分析氣體放電管的工作原理。

 

氣體放電管（Gas Discharge Tube，簡稱GDT）是一種開關型保護器件，它用一種陶瓷或玻璃封裝，其內部充有一定量的惰性氣體（如氬氣和氖氣），其結構圖如下圖所示：

 

如下圖所示為其常用原理圖符號：

 

物如其名，氣體放電管的工作原理就是氣體放電? 

 

當兩極間的電壓足夠大時, 極間間隙將被放電擊穿, 由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態, 類似短路?

 

導電狀態下兩極間維持的電壓很低, 一般為20~50V, 因此可以起到保護后級電路的效果?

 

氣體放電管的主要指標有響應時間? 直流擊穿電壓? 沖擊擊穿電壓? 通流容量? 絕緣電阻? 極間電容及續流遮斷時間? 

 

以下是某品牌3RA-5S系列的氣體放電管主要參數：

 

下面對表中參數進行簡單介紹：

 

直流擊穿電壓(DC Spark-over Voltage)：在放電管兩端施加上升的電壓時，使氣體放電管發生擊穿的電壓值。

 

這個電壓的測試條件是100V/s，這是一個相對比較緩慢的上升率。

 

這個電壓一般是氣體放電管的標稱電壓，如75V、90V、150V、200V、230V、350V、470V、600V、800V等幾種。

 

其誤差一般在±30%左右，也有±20%和±15%的，如下為某平臺的放電管的基本參數：

 

沖擊擊穿電壓(Impulse Spark-over Voltage)：在放電管極間施加一個快速變化的沖擊電壓時，使放電管發生擊穿的電壓。

 

如該系列的氣體放電管沖擊擊穿電壓的測試條件為100V/us和1kV/us。

 

其擊穿電壓參考曲線如下圖所示：

 

 

最小的絕緣（Minimum Insulation  Resistance）：氣體放電管各個引腳之間的絕緣電阻大小，該值一般比較大，有上GΩ。

 

70-150V的直流擊穿電壓下，測試條件通常是DC50V，150V以上的電壓，測試條件通常是DC100V。

 

最大電容（Maximum Capacitance）：該電容為最大的極間電容，測試條件通常為1MHz，氣體放電管的極間電容通常比較小，一般為5pF以下。

 

弧光電壓（Arc Voltage）：在1A弧光電流流過氣體放電管時的壓降。

 

輝光電源（Glow Voltage）：輝光電流流經期間，跨越氣體放電管的電壓降的峰值，它有時也被稱為輝光模式電壓。

 

其電氣特性參數曲線如下圖所示：

 

有關壽命的參數介紹如下：

 

沖擊放電電流(Impulse Discharge Crurrent)：在規定的放電次數內，流經放電管放電間隙的沖擊電流峰值。

 

80/20us代表一個上升時間為8 µs，半峰值時間為20 µs的沖擊電流波形，如下圖所示：

交流放電電流（Alternating Discharge Current）：流經氣體放電管的近似正弦交流電流的有效值。

 

耐受沖擊電流壽命(Impulse Life)：該參數是衡量GDT耐受多次沖擊電流的能力，在一定程度上反應了GDT的穩定性及可靠性。

 

氣體放電管的響應時間可以達到數百納秒以至數秒, 在保護器件中是最慢的?

 

當線纜上的雷擊過電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時, 初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓, 一般在600V以上? 

 

放電管擊穿導通后, 兩極間維持電壓下降到20~50V? 

 

另外, 氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大?

 

氣體放電管與TVS等保護器件合用時應使大部分的過電流通過氣體放電管泄放, 因此氣體放電管一般用于保護電路的最前級, 其后級的保護電路由壓敏電阻或TVS管組成? 

 

極間漏電流非常小, 為nA級，因此氣體放電管并接在線路上對線路基本不會構成什么影響? 

 

氣體放電管的續流遮斷是設計電路需要重點考慮的一個問題? 

 

如前所述, 氣體放電管在導電狀態下續流維持電壓一般為20~50V? 

 

在直流電源電路中應用時, 如果兩線間電壓超過 20 V, 則不可以在兩線間直接應用放電管，這會導致GDT一直處于導通狀態，對GDT和電路造成損壞?

 

在50Hz交流電源電路中使用時, 雖然交流電壓有過零點, 可以實現氣體放電管的續流遮斷。

 

但氣體放電管類的器件在經過多次導電擊穿后, 其續流遮斷能力將大大降低, 長期使用后, 在交流電路的過零點也不能實現續流遮斷?

 

因此, 在交流電源電路的相線對保護地線? 中線對保護地線單獨使用氣體放電管是不合適的? 

 

在以上的線對之間使用氣體放電管時需要與壓敏電阻串聯?

 

在交流電源電路的相線對中線的保護中基本不使用氣體放電管?

 

在防雷電路的設計中, 應注重氣體放電管的直流擊穿電壓? 沖擊擊穿電壓? 通流容量等參數值的選取?

 

設置在普通交流線路上的放電管, 要求它在線路正常運行電壓及其允許的波動范圍內不能動作, 則它的直流放電電壓應滿足:

 

 min (ufdc ) ≥1.8UP

 

式中:

 

min (ufdc ) 為直流擊穿電壓的最小值。

 

UP 為線路正常運行電壓的峰值? 

 

氣體放電管主要可應用：

 

在交流電源口相線? 中線的對地保護。

 

直流電源口的工作地和保護地之間的保護。

 

信號口中線對地的保護。

 

射頻信號饋線芯線對屏蔽層的保護? 

 

氣體放電管的失效模式在多數情況下為開路, 因電路設計原因或其他因素導致放電管長期處于短路狀態而被燒壞時, 也可引起短路的失效模式? 

 

氣體放電管使用壽命相對較短, 經多次沖擊后性能會下降?

 

因此, 由氣體放電管構成的防雷器長時間使用后存在維護及更換的問題?

 

2、電路分享：

 

氣體放電管常用做防雷擊浪涌用，以下分享幾個常用的電路。

 

電路一：AC電源保護

 

圖中MOV（Metal Oxide Varistors）是壓敏電阻。

 

電路二：DC電源保護

 

電路三：二級氣體放電管信號線路保護

 

電路四：三級氣體放電管信號線路保護

 

電路五：其它參考電路

氣體放電管在使用時要注意以下幾點：

 

在電源線路中最大運行電壓超過氣體放電管的最小開啟電壓時，不能使用氣體放電管。

 

氣體放電管在長時間電流壓力下會變熱（起火），這種過載將使連接器失效或器件損壞。

 

如果氣體放電管的接觸有缺陷，超載的電流能產生火花和大的噪音。

 

氣壓在55 kPa 到106 kPa，對應海拔為+5000m到–500m。

 

要輕拿輕放，避免跌落。

 

不能繼續使用已經損壞的氣體放電管。

 

要按照廠家推薦的PCB焊盤的尺寸進行設計，防止因為PCB焊盤和焊接材料的使用減小隔離強度。

 

SMD封裝的氣體放電管必須在24個月內完成焊接。