什么是气体放电管?应用电路分析

一、关于浪涌电流的解释

在使用器件对系统进行瞬变干扰抑制的时候,前提需要清楚使用的场合跟测试的规格标准。继续上一次推送,先对《GB/T 17626.5 电磁兼容试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验》进行分析,规范规定了不测试电压等级、不同形状的开路电压及短路电流测试波形:
对于连接到对称通信线的端口,使用开路电压波形为10/700μs(波前时间10μs,半峰时间700μs)的组合波发生器,这种发生器对应的短路电流波形为5/320μs。
而对于连接到电源线和短距离信号互连线的端口,使用1.2/50μs的组合波发生器,这种发生器对应的短路电流波形为8/20μs。
这两种波形本身不矛盾,数值上的线性是由于发生器有效输出阻抗固定为2×(1±10%)Ω,但二者的出现是相互对立的。测试时浪涌发生器输出波形的判定取决于负载设备端口的输入阻抗。当作为负载的被测设备端口呈现高阻抗(如端口没有保护电路,或保护电路断开或未开始工作)时,判定标准为规定的开路电压波形;当作为负载的被测设备端口呈现低阻抗(如保护电路短路)时,判定标准为规定的短路电流波形。

二、关于气体放电管

压敏电阻的峰值电流承受能力确实很大,但是相对其箝位效果比较差,箝位电压会比较高;于此同时由于箝位吸收引起的发热会使得其本身结构受损,浪涌冲击次数的增加,其漏电流会增大。
气体放电管是雷击浪涌抑制两大类器件中“开关型器件”的代表。放电管本身的寄生电容较小,可看成低电容的对称开关,当放电管两端的电压高于击穿电压,开关打开直接将浪涌能量泄放到地。

1、气体放电管结构

气体放电管(GDT)又称陶瓷气体放电管,由金属电机与陶瓷管壳组成的密封气体放电器件,有二极管与三级管,一般用于对地的过电压保护。具体来讲,它是采用金属化陶瓷绝缘管壳及电焊接技术,将少量气体(主要是稀有气体氖、氩)封闭在内部。通过改变内部气体压力、电机涂层材料成分及电极间距,可以改变GDT的直流击穿电压、冲击击穿电压、工频耐流能力及寿命等。
气体放电管工作过程可解释为:A、当加在气体放电管两端电压超过击穿电压时,放电管气体被电离,放电管开始放电。放电管两端的电压迅速下降至辉光放电电压,管内电流开始升高(70~150V,与管子性质有关,下同)。B、管内电流进一步增大,放电管内部稀有气体进入放电状态,此时管子两端电压很低(10~35V),这个状态会保持一段时间。C、当流过GDT的电流降到维持放电状态的电压一下(10~100mA),放电停止,放电结束,恢复原来电压值。
放电过程由于稀有气体放电消耗能量很小,气体放电管本身损耗能量很小,能量基本泄放到地。因为气体放电需要一个过程,所以气体放电管的相应时间比较长,一般几百ns甚至μs。

2、特征参数

气体放电管的工作过程是:当电压超过击穿电压时,气体放电管放电,并将浪涌能量直接泄放到地,等管子电流低于放电电流时,结束放电。常作为选型考虑的有下面一些参数:
1)直流击穿电压(DC spark-overvoltage):系统工作在一个低上升率(测试波形dv/dt≤100V/s)电压波形时测得的击穿电压,一般是一个电压区间。代表了受保护系统可正常工作范围。
2)冲击(或浪涌)击穿电压(Impulsespark-over voltage):系统工作在一个高上升率(1kV/μs,或用100 V/μs 、5kV/μs)电压波形时测得的击穿电压,一般是一个电压区间,代表了一般防护时的击穿电压。
3)标称放电电流(使用寿命Service life):
①通过50Hz交流电流的额定有效值,通常规定放电10次(每次放电时间1s)可通过最大电流有效值、单次(放电0.18s,连续9个周波)使用可通过最大电流有效值。
②8/20μs波形的额定放电电流,通常规定单次使用可通过最大放电电流值、放电10次可通过最大电流。
4)绝缘电阻(Insulationresistance):放电管未着火时,放电管的绝缘电阻值。一般对90V和150V的放电管测试用50V(DC);其余规格的放电管测试电压用100V(DC)。要求绝缘电阻为1~10GΩ。
5)电容(Capacitance):放电管电极间电容,一般在2~10pF。

3、使用注意事项

作为瞬变干扰抑制保护器件,气体放电管选型同样要保证接入电路可以对浪涌电压进行箝位,又要保证不能影响电路正常工作过程。综合来讲有几个点:
1)受保护电子设备的正常工作电压要保证低于气体放电管的直流击穿电压最小值,且有一定余量。
2)气体放电管的吸收能力强,但是吸收速度很低(0.1~0.3μs),适合作为第一次对于浪涌大能量的初级吸收,或配合压敏电阻一起使用。
3)气体放电管在浪涌过电压过去之后,不能马上熄弧,特别是当保护线路由低阻抗的电源供电时(如由50Hz交流电网供电),由于起弧后放电管也是低电阻,导致分压均匀,熄弧不能马上实现,实际流过电流可能超过限值很多倍。续流时间过长就容易出现过载而爆裂。对于直流电供电的高阻抗就没有这个问题。故使用时应分析端口网络的阻抗特性。
4)焊接掰动引脚时,同样应该注意先固定引脚,防止操作过程损伤GDT内部结构。
5)电极引线长度对限压同样有很大影响。由于引线存在寄生电感以及电阻,瞬态大电流会引起瞬间高压,不利于设备保护;PCB走线同样也需要短而宽的走线,使得电路截面积尽可能大。

4、应用电路:

1)单只使用:将线上的浪涌能量泄放到大地。一般线地之间使用单只气体放电管,可使用两只二极管或一只三极管,但实际上两只二极管不如一只三极管好。首先,两只气体放电管的体积比单只三极管的电路体积更大。其次,两只二极管结构特性无法完全一致,放电必定有先后,会出现瞬态差模过压的现象;而三极管不论两边是否有差异,当其中一侧开始放电,内部气体电离产生的自由电子会迅速扩散并引起另一部分迅速放电,使得两条线同时泄放能量。
注意:直接使用气体放电管进行共模浪涌抑制的时候,应保证气体放电管放电导通残压大于线间的压差的1.7倍,保证气体放电管在吸收浪涌后不会因为两端电压过高而导致续流。
为了避免气体放电管放电后电流持续,当线地之间电压差值较大时,也可以在放电管上串联压敏电阻等器件限制续流。这样做虽然使得两条输入线的浪涌抑制方式有异,但是可以使得浪涌过后流过气体放电管电流小于放电管的维持电流,而非将气体放电管直接串联在高压线与大地之间。
2)与压敏电阻配合使用:由于放电管存在残留电压,如果选择残留电压较高的放电管(以满足最高输入电压的1.7倍),放电管的点火击穿电压也会很高,这可能对一些要求保护电压比较低的设备也起不到过压保护作用,为此可以选用残留电压比较低的放电管与压敏电阻串联使用,这样可以降低浪涌电压的门槛,同时放电管对压敏电阻也起到一定的保护作用(加到压敏电阻两端的电压相对变小了)。
此外,由于压敏电阻本身较大的寄生电容,导致它有较大的漏电流,而气体放电管漏电流很小,使得系统几乎没有漏电流。没有瞬变电压时,GDT将MOV与系统隔开,使得支路漏电流极低。当过压时,由于放电管发电的压降很低,此时放电管放电,此时主要由压敏电阻起作用。干扰过去后又恢复截止状态将压敏电阻与大地隔开。如果压敏电阻在吸收浪涌能量过程出现短路失效,也可以通过气体放电管隔开。
另外,在通讯电路中,压敏电阻必须要与放电管串联起来使用,因为压敏电阻的分布电容非常大(几百PF到几千pF),而放电管的分布电容非常小(只有几pF),不会对信号造成短路。
3)由于制造时的参数差异性,气体放电管最好不要进行并联使用。

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