氣體放電管在浪涌抑制電路的應用

1、浪涌電壓的產(chǎn)生和抑制原理

在電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡線路上，經(jīng)常會受到外界瞬時過電壓干擾，這些干擾源主要包括：由于通斷感性負載或啟停大功率負載，線路故障等產(chǎn)生的操作過電壓；由于雷電等自然現(xiàn)象引起的雷電浪涌。這種過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾。浪涌電壓會嚴重危害電子系統(tǒng)的安全工作。消除浪涌噪聲干擾，防止浪涌危害一直是關系電子設備安全可靠運行的核心問題。為了避免浪涌電壓損害電子設備，一般采用分流防御措施，即將浪涌電壓在非常短的時間內與大地短接，使浪涌電流分流入地，達到削弱和消除過電壓、過電流的目的，從而起到保護電子設備安全運行的作用。
2 浪涌電壓抑制器件分類
浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類型。第一種類型為橇棒（crow bar）器件。其主要特點是器件擊穿后的殘壓很低，因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放，而且也使功耗大大降低。另外該類型器件的漏電流小，器件極間電容量小，所以對線路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護器、硅雙向對稱開關（CSSPD）等。
另一種類型為箝位保護器，即保護器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升，以箝位的方式起到保護作用。常用的箝位保護器是氧化鋅壓敏電阻(MOV)，瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）等。
3 氣體放電管的構造及基本原理
氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內部由兩個或數(shù)個帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體（氬氣或氖氣）構成，基本外形如圖1所示。當加到兩電極端的電壓達到使氣體放電管內的氣體擊穿時，氣體放電管便開始放電，并由高阻變成低阻，使電極兩端的電壓不超過擊穿電壓。

(a) BB型 (b)BBS型
圖1 氣體放電管的基本外形

4 氣體放電管與其它浪涌抑制器件參數(shù)比較
1）火花間隙（Arc chopping）
為兩個形狀象牛角的電極，彼此間有很短的距離。當兩個電極間的電位差達到一定程度時，間隙被擊穿打火放電，由此將過電流釋放入地。
優(yōu)點：放電能力強，通流容量大（可做到100kA以上），漏電流小；
缺點：殘壓高（2～4kV），反應時間慢（≤100ns），有跟隨電流（續(xù)流）。
2）金屬氧化物壓敏電阻（Metal oxside varistor）
該器件在一定溫度下，導電性能隨電壓的增加而急劇增大。它是一種以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻。沒有過壓時呈高阻值狀態(tài)，一旦過電壓，立即將電壓限制到一定值，其阻抗突變?yōu)榈椭怠?br />優(yōu)點：通流容量大，殘壓較低，反應時間較快（≤50ns），無跟隨電流（續(xù)流）；
缺點：漏電流較大，老化速度相對較快。
3）瞬態(tài)抑制二極管（Transient voltage suppressor）
亦稱齊納二極管，是一種專門用于抑制過電壓的器件。其核心部分是具有較大截面積的PN結，該PN結工作在雪崩狀態(tài)時，具有較強的脈沖吸收能力。
優(yōu)點：殘壓低，動作精度高，反應時間快（<1ns），無跟隨電流（續(xù)流）；
缺點：耐流能力差，通流容量小，一般只有幾百安培。
4）氣體放電管(Gas discharge tube)
氣體放電管可以用于數(shù)據(jù)線、有線電視、交流電源、電話系統(tǒng)等方面進行浪涌保護，一般器件電壓范圍從75～10000V，耐沖擊峰值電流20000A，可承受高達幾千焦耳的放電。
優(yōu)點：通流量容量大，絕緣電阻高，漏電流小；
缺點：殘壓較高，反應時間慢（≤100ns），動作電壓精度較低，有跟隨電流（續(xù)流）。
各種浪涌抑制器件的共同特點為器件在閾值電壓以下都呈現(xiàn)高阻抗，一旦超過閾值電壓，則阻抗便急劇下降，都對尖峰電壓有一定的抑制作用。但各自都有缺點,因此根據(jù)具體的應用場合,一般采用上述器件中的一個或者幾個的組合來組建相應的保護電路。各種浪涌抑制器件的參數(shù)對比見表1所列。
表1 幾種常用浪涌抑制器參數(shù)比較

氣體放電管壓敏電阻浪涌抑制二極管
類型橇棒箝位箝位
反應時間<1μs<50ns<1ns
典型電容量/pF1500～500050
漏電流<1pA5～10μA200μA
最大放電電流/A（8×20μs波形）20000650050
5 氣體放電管的主要參數(shù)
1）反應時間指從外加電壓超過擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時間，氣體放電管反應時間一般在μs數(shù)量極。
2）功率容量指氣體放電管所能承受及散發(fā)的最大能量，其定義為在固定的8×20μs電流波形下，所能承受及散發(fā)的電流。
3）電容量指在特定的1MHz頻率下測得的氣體放電管兩極間電容量。氣體放電管電容量很小，一般為≤1pF。
4）直流擊穿電壓當外施電壓以500V/s的速率上升，放電管產(chǎn)生火花時的電壓為擊穿電壓。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類和電極間的距離等因素。
5）溫度范圍其工作溫度范圍一般在－55℃～＋125℃之間。
6）電流—電壓特性曲線以美國克來電子公司CG2－230L氣體放電管為例，如圖2所示。
7）絕緣電阻是指在外施50或100V直流電壓時測量的氣體放電管電阻,一般>1010Ω。

圖2 電流—電壓特性曲線

6 氣體放電管的應用示例
1）電話機/傳真機等各類通訊設備防雷應用
如圖3所示。特點為低電流量，高持續(xù)電源，無漏電流，高可靠性。

圖3 通訊設備防雷應用

2）氣體放電管和壓敏電阻組合構成的抑制電路
圖4是氣體放電管和壓敏電阻組合構成的浪涌抑制電路。由于壓敏電阻有一致命缺點：具有不穩(wěn)定的漏電流，性能較差的壓敏電阻使用一段時間后，因漏電流變大可能會發(fā)熱自爆。為解決這一問題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。但這又帶來了缺點就是反應時間為各器件的反應時間之和。例如壓敏電阻的反應時間為25ns，氣體放電管的反應時間為100ns，則圖4的R2,G,R3的反應時間為150ns，為改善反應時間加入R1壓敏電阻,這樣可使反應時間為25ns。

圖4 氣體放電管和壓敏電阻配合應用

3）氣體放電管在綜合浪涌保護系統(tǒng)中的應用
自動控制系統(tǒng)所需的浪涌保護系統(tǒng)一般由二級或三級組成，利用各種浪涌抑制器件的特點，可以實現(xiàn)可靠保護。氣體放電管一般放在線路輸入端，做為一級浪涌保護器件，承受大的浪涌電流。二級保護器件采用壓敏電阻，在μs級時間范圍內更快地響應。對于高靈敏的電子電路，可采用三級保護器件TVS，在ps級時間范圍內對浪涌電壓產(chǎn)生響應。如圖5所示。當雷電等浪涌到來時，TVS首先起動，會把瞬間過電壓精確控制在一定的水平；如果浪涌電流大，則壓敏電阻起動，并泄放一定的浪涌電流；兩端的電壓會有所提高，直至推動前級氣體放電管的放電，把大電流泄放到地。

圖5 三級保護

7 結語
各種電子系統(tǒng)，以及通信網(wǎng)絡等，經(jīng)常會受到外來的電磁干擾，這些干擾主要來自電源線路的暫態(tài)過程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會使得系統(tǒng)動作失誤甚至硬件損壞。針對這些問題，要做好全面的預防保護措施，就需要先找到問題的根源，再選用合適的浪涌抑制器件予以解決。