气体放电管的设计实例

气体放电管的原理

　　气体放电管的工作原理可以简单地总结为气体放电。当两级间产生足够大的电量,则会造成极间间隙被放电击穿,这时其便由绝缘状态转变成为导电状态,这种现象与短路较为相似。当处于导电状态下时,两极间的电压会较低,一般是在20～50V之间,因此,其能够对后级电路起到很好的保护作用。

　　气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体(氩气或氖气)构成，基本外形如图1所示。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，并由高阻变成低阻，使电极两端的电压不超过击穿电压。

气体放电管的主要参数

　　1)反应时间指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在μs数量极。

　　2)功率容量指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8×20μs电流波形下，所能承受及散发的电流。

　　3)电容量指在特定的1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般为≤1pF。

　　4)直流击穿电压当外施电压以500V/s的速率上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。

　　5)温度范围其工作温度范围一般在-55℃～+125℃之间。

　　6)绝缘电阻是指在外施50或100V直流电压时测量的气体放电管电阻,一般>1010Ω。

　　气体放电管的设计实例

　　1)电话机/传真机等各类通讯设备防雷应用

　　如图所示。特点为低电流量，高持续电源，无漏电流，高可靠性。

2)气体放电管和压敏电阻组合构成的抑制电路

　　下图是气体放电管和压敏电阻组合构成的浪涌抑制电路。由于压敏电阻有一致命缺点：具有不稳定的漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因漏电流变大可能会发热自爆。为解决这一问题在压敏电阻之间串入气体放电管。在这种串联组合支路中，气体放电管起一个开关作用，当没有暂态过电压作用时，它能将压敏电阻与系统隔离开，使压敏电阻中几乎无泄漏电流，从而有效地减缓压敏电阻性能衰退。

3)气体放电管在综合浪涌保护系统中的应用

　　自动控制系统所需的浪涌保护系统一般由二级或三级组成，利用各种浪涌抑制器件的特点，可以实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端，做为一级浪涌保护器件，承受大的浪涌电流。二级保保护器件采用压敏电阻，在μs级时间范围内更快地响应。对于高灵敏的电子电路，可采用三级保护器件TVS，在ps级时间范围内对浪涌电压产生响应。如图4所示。当雷电等浪涌到来时，TVS首先起动，会把瞬间过电压精确控制在一定的水平;如果浪涌电流大，则压敏电阻起动，并泄放一定的浪涌电流;两端的电压会有所提高，直至推动前级气体放电管的放电，把大电流泄放到地。

陶瓷气体放电管该如何选择

　　1、气体放电管的加入不能影响线路的正常工作，这就要保证气体放电管的直流击穿电压的下限值必须高于线路的最大正常工作电压。据此确定所需放电管的标称直流击穿电压值。

　　2、确定线路所能承受的最高瞬时电压值，要确保放电管的冲击击穿电压值必须低于此值。以确保当瞬间过压来临时，放电管的反应速度快于线路的反应速度，抢先一步将过电压限制在安全值。这是放电管的一个最重要的指标。

　　3、根据线路中可能窜入的冲击电流强度，确定所选用放电管必须达到的耐冲击电流能力(如：在室外一般选用10kA以上等级;在入室端一般选用5kA等级;在设备终端处一般选用2kA左右等级)。

　　4、当过电压消失后，要确保放电管及时熄灭，以免影响线路的正常工作。这就要求放电管的过保持电压尽可能高，以保证正常线路工作电压不会引起放电管的持续导通(即续流问题)。

　　5、若过电压持续的时间很长，气体放电管的长时间动作将产生很高的热量。为了防止该热量所造成的保护设备或者终端设备的损坏同时也为了防止发生任何可能的火灾，气体放电管此时必须配上适当的短路装置，我们称之为FS装置( 即“失效保护装置”)。

　　气体放电管选型很重要，在放电管工作中能长期发挥稳定质量保障更重要。

　　气体放电管具有很强的承受大能量冲击的能力，但在具体使用时，由于气体放电管在放电时残压极低，近似于短路状态，因此不能单独在电源避雷器中使用，气体放电管的耐流能力与管径有关，管径越大，耐流能力越好。

陶瓷气体放电管的应用背景：

　　一直以来，在低压电源端口的雷击保护器件的选型方面，人们更多的是选择压敏电阻MOV或者瞬态抑制二极管TVS，但是，由于压敏电阻MOV在失效时会引起火灾，普通600W或者1500W的TVS通流能力又很小，而现在很多客户对测试等级的要求又很高，尤其是用于基站的产品，防护等级可达到3KA@8/20μS，如此一来，选择气体放电管GDT作为防护器件才能满足市场需求。可是常规气体放电管GDT又会带来续流问题，因此，选择合适的气体放电管GDT才能根本解决低压电源端口的雷击保护问题。

采用气体放电管保护的传统方案的问题：

　　针对DC12/24V和AC24V端口的雷击保护传统的方案通常都选择常规的两端和三端气体放电管GDT来作为保护器件，旧方案如下：

上述图的陶瓷气体放电管老方案，四点的不足：

（1）GDT的体积大：

（2）气体放电管GDT的残压高：

体放电管的弧光压低：GDT的弧光压比电源电压低，就会导致续流的危险。

（4）供电电源浮地时，气体放电管GDT容易误动作

　　供电电源出现浮地时，应用上图传统的方案时，由于气体放电管的阻抗很大，所以在放电管两端会叠加一个很高的电压，如果气体放电管GDT的直流开启电压过低（方案中用的是直流击穿电压90V的GDT），则会导致放电管GDT误动作，此时气体放电管会处于“常亮”的状态，致使系统的供电能力下降甚至丧失。由此可见，选择90V的气体放电管，很容易发生误动作的危险。

解决方案：

　　使用常规GDT用于低电压电源端口时，存在上述四点缺陷。新型气体放电管GDT:BC301N-D，可弥补常规气体放电管的不足之处。用于低压12V、24V直流电源防雷设计。

BC301N-D的应用方案：

 

陶瓷气体放电管BC301N-D有以下四个优势：

（1）体积小：

（2）残压低

（3）弧光压高：弧光压比电源电压高，不会发生续流的危险

（4）供电电源浮地时，BC301N-D不容易误动作BC301N-D的直流开启电压是300V，常规的气体放电管是90V的，因此供电电源浮地时，BC301N-D相比不轻易发生误动作。

　　总结

　　由于气体放电管GDT的工作原理是属于开关型的，所以在选择气体放电管GDT作为电源口防护器件时，必须注意：

1、气体放电管GDT的弧光压大于电源工作电压。

2、气体放电管GDT的直流开启电压大于供电电源的浮地电压。　　

      审核编辑：彭静