本文主要介绍防浪涌电路中的元器件之气体放电管以及一些常用的电路。

 

1、概述:

 

防浪涌电路中的元器件主要有气体放电管、压敏电阻、TVS管、TSS管、保险管、熔断器、空气开关、还有电感、电阻、电容等。

 

下面我们首先来详细分析气体放电管的工作原理。

 

气体放电管（Gas Discharge Tube，简称GDT）是一种开关型保护器件，它用一种陶瓷或玻璃封装，其内部充有一定量的惰性气体（如氩气和氖气），其结构图如下图所示：

 

如下图所示为其常用原理图符号：

 

物如其名，气体放电管的工作原理就是气体放电｡ 

 

当两极间的电压足够大时, 极间间隙将被放电击穿, 由原来的绝缘状态转化为导电状态, 类似短路｡

 

导电状态下两极间维持的电压很低, 一般为20~50V, 因此可以起到保护后级电路的效果｡

 

气体放电管的主要指标有响应时间､ 直流击穿电压､ 冲击击穿电压､ 通流容量､ 绝缘电阻､ 极间电容及续流遮断时间｡ 

 

以下是某品牌3RA-5S系列的气体放电管主要参数：

 

下面对表中参数进行简单介绍：

 

直流击穿电压(DC Spark-over Voltage)：在放电管两端施加上升的电压时，使气体放电管发生击穿的电压值。

 

这个电压的测试条件是100V/s，这是一个相对比较缓慢的上升率。

 

这个电压一般是气体放电管的标称电压，如75V、90V、150V、200V、230V、350V、470V、600V、800V等几种。

 

其误差一般在±30%左右，也有±20%和±15%的，如下为某平台的放电管的基本参数：

 

冲击击穿电压(Impulse Spark-over Voltage)：在放电管极间施加一个快速变化的冲击电压时，使放电管发生击穿的电压。

 

如该系列的气体放电管冲击击穿电压的测试条件为100V/us和1kV/us。

 

其击穿电压参考曲线如下图所示：

 

 

最小的绝缘（Minimum Insulation  Resistance）：气体放电管各个引脚之间的绝缘电阻大小，该值一般比较大，有上GΩ。

 

70-150V的直流击穿电压下，测试条件通常是DC50V，150V以上的电压，测试条件通常是DC100V。

 

最大电容（Maximum Capacitance）：该电容为最大的极间电容，测试条件通常为1MHz，气体放电管的极间电容通常比较小，一般为5pF以下。

 

弧光电压（Arc Voltage）：在1A弧光电流流过气体放电管时的压降。

 

辉光电源（Glow Voltage）：辉光电流流经期间，跨越气体放电管的电压降的峰值，它有时也被称为辉光模式电压。

 

其电气特性参数曲线如下图所示：

 

有关寿命的参数介绍如下：

 

冲击放电电流(Impulse Discharge Crurrent)：在规定的放电次数内，流经放电管放电间隙的冲击电流峰值。

 

80/20us代表一个上升时间为8 µs，半峰值时间为20 µs的冲击电流波形，如下图所示：

交流放电电流（Alternating Discharge Current）：流经气体放电管的近似正弦交流电流的有效值。

 

耐受冲击电流寿命(Impulse Life)：该参数是衡量GDT耐受多次冲击电流的能力，在一定程度上反应了GDT的稳定性及可靠性。

 

气体放电管的响应时间可以达到数百纳秒以至数秒, 在保护器件中是最慢的｡

 

当线缆上的雷击过电压使防雷器中的气体放电管击穿短路时, 初始的击穿电压基本为气体放电管的冲击击穿电压, 一般在600V以上｡ 

 

放电管击穿导通后, 两极间维持电压下降到20~50V｡ 

 

另外, 气体放电管的通流量比压敏电阻和TVS管要大｡

 

气体放电管与TVS等保护器件合用时应使大部分的过电流通过气体放电管泄放, 因此气体放电管一般用于保护电路的最前级, 其后级的保护电路由压敏电阻或TVS管组成｡ 

 

极间漏电流非常小, 为nA级，因此气体放电管并接在线路上对线路基本不会构成什么影响｡ 

 

气体放电管的续流遮断是设计电路需要重点考虑的一个问题｡ 

 

如前所述, 气体放电管在导电状态下续流维持电压一般为20~50V｡ 

 

在直流电源电路中应用时, 如果两线间电压超过 20 V, 则不可以在两线间直接应用放电管，这会导致GDT一直处于导通状态，对GDT和电路造成损坏｡

 

在50Hz交流电源电路中使用时, 虽然交流电压有过零点, 可以实现气体放电管的续流遮断。

 

但气体放电管类的器件在经过多次导电击穿后, 其续流遮断能力将大大降低, 长期使用后, 在交流电路的过零点也不能实现续流遮断｡

 

因此, 在交流电源电路的相线对保护地线､ 中线对保护地线单独使用气体放电管是不合适的｡ 

 

在以上的线对之间使用气体放电管时需要与压敏电阻串联｡

 

在交流电源电路的相线对中线的保护中基本不使用气体放电管｡

 

在防雷电路的设计中, 应注重气体放电管的直流击穿电压､ 冲击击穿电压､ 通流容量等参数值的选取｡

 

设置在普通交流线路上的放电管, 要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作, 则它的直流放电电压应满足:

 

 min (ufdc ) ≥1.8UP

 

式中:

 

min (ufdc ) 为直流击穿电压的最小值。

 

UP 为线路正常运行电压的峰值｡ 

 

气体放电管主要可应用：

 

在交流电源口相线､ 中线的对地保护。

 

直流电源口的工作地和保护地之间的保护。

 

信号口中线对地的保护。

 

射频信号馈线芯线对屏蔽层的保护｡ 

 

气体放电管的失效模式在多数情况下为开路, 因电路设计原因或其他因素导致放电管长期处于短路状态而被烧坏时, 也可引起短路的失效模式｡ 

 

气体放电管使用寿命相对较短, 经多次冲击后性能会下降｡

 

因此, 由气体放电管构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题｡

 

2、电路分享：

 

气体放电管常用做防雷击浪涌用，以下分享几个常用的电路。

 

电路一：AC电源保护

 

图中MOV（Metal Oxide Varistors）是压敏电阻。

 

电路二：DC电源保护

 

电路三：二级气体放电管信号线路保护

 

电路四：三级气体放电管信号线路保护

 

电路五：其它参考电路

气体放电管在使用时要注意以下几点：

 

在电源线路中最大运行电压超过气体放电管的最小开启电压时，不能使用气体放电管。

 

气体放电管在长时间电流压力下会变热（起火），这种过载将使连接器失效或器件损坏。

 

如果气体放电管的接触有缺陷，超载的电流能产生火花和大的噪音。

 

气压在55 kPa 到106 kPa，对应海拔为+5000m到–500m。

 

要轻拿轻放，避免跌落。

 

不能继续使用已经损坏的气体放电管。

 

要按照厂家推荐的PCB焊盘的尺寸进行设计，防止因为PCB焊盘和焊接材料的使用减小隔离强度。

 

SMD封装的气体放电管必须在24个月内完成焊接。