气体放电管在浪涌抑制电路的应用

摘要：阐述了浪涌电压产生的机理，介绍了气体放电管的工作原理、特性参数和在浪涌抑制电路中的应用。
关键词：浪涌电压抑制；气体放电管；应用
1  浪涌电压的产生和抑制原理
在电子系统和网络线路上，经常会受到外界瞬时过电压干扰，这些干扰源主要包括：由于通断感性负载或启停大功率负载，线路故障等产生的操作过电压；由于雷电等自然现象引起的雷电浪涌。这种过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。浪涌电压会严重危害电子系统的安全工作。消除浪涌噪声干扰，防止浪涌危害一直是关系电子设备安全可靠运行的核心问题。为了避免浪涌电压损害电子设备，一般采用分流防御措施，即将浪涌电压在非常短的时间内与大地短接，使浪涌电流分流入地，达到削弱和消除过电压、过电流的目的，从而起到保护电子设备安全运行的作用。
2  浪涌电压抑制器件分类
浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类型。第一种类型为橇棒（crow bar）器件。其主要特点是器件击穿后的残压很低，因此不仅有利于浪涌电压的迅速泄放，而且也使功耗大大降低。另外该类型器件的漏电流小，器件极间电容量小，所以对线路影响很小。常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌保护器、硅双向对称开关（CSSPD）等。
另一种类型为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻(MOV)，瞬态电压抑制器（TVS）等。
3  气体放电管的构造及基本原理
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。

(a)  BB型                            (b)BBS型
图1  气体放电管的基本外形
4  气体放电管与其它浪涌抑制器件参数比较
1）火花间隙（Arc chopping）
为两个形状象牛角的电极，彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时，间隙被击穿打火放电，由此将过电流释放入地。
优点：放电能力强，通流容量大（可做到100kA以上），漏电流小；
缺点：残压高（2～4kV），反应时间慢（≤100ns），有跟随电流（续流）。
2）金属氧化物压敏电阻（Metal oxside varistor）
该器件在一定温度下，导电性能随电压的增加而急剧增大。它是一种以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻。没有过压时呈高阻值状态，一旦过电压，立即将电压限制到一定值，其阻抗突变为低值。
优点：通流容量大，残压较低，反应时间较快（≤50ns），无跟随电流（续流）；
缺点：漏电流较大，老化速度相对较快。
3）瞬态抑制二极管（Transient voltage suppressor）
亦称齐纳二极管，是一种专门用于抑制过电压的器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结，该PN结工作在雪崩状态时，具有较强的脉冲吸收能力。
优点：残压低，动作精度高，反应时间快（<1ns），无跟随电流（续流）；
缺点：耐流能力差，通流容量小，一般只有几百安培。
4）气体放电管(Gas discharge tube)
气体放电管可以用于数据线、有线电视、交流电源、电话系统等方面进行浪涌保护，一般器件电压范围从75～10000V，耐冲击峰值电流20000A，可承受高达几千焦耳的放电。
优点：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小；
缺点：残压较高，反应时间慢（≤100ns），动作电压精度较低，有跟随电流（续流）。
各种浪涌抑制器件的共同特点为器件在阈值电压以下都呈现高阻抗，一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，都对尖峰电压有一定的抑制作用。但各自都有缺点,因此根据具体的应用场合,一般采用上述器件中的一个或者几个的组合来组建相应的保护电路。各种浪涌抑制器件的参数对比见表1所列。
表1  几种常用浪涌抑制器参数比较 　 气体放电管 压敏电阻 浪涌抑制二极管
类型 橇棒 箝位 箝位
反应时间 <1μs <50ns <1ns
典型电容量/pF 1 500～5000 50
漏电流 <1pA 5～10μA 200μA
最大放电电流/A（8×20μs波形） 20000 6500 50
5  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）电流—电压特性曲线以美国克来电子公司CG2－230L气体放电管为例，如图2所示。
7）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。

图2  电流—电压特性曲线
6  气体放电管的应用示例
1）电话机/传真机等各类通讯设备防雷应用
如图3所示。特点为低电流量，高持续电源，无漏电流，高可靠性。

图3  通讯设备防雷应用
2）气体放电管和压敏电阻组合构成的抑制电路
图4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。但这又带来了缺点就是反应时间为各器件的反应时间之和。例如压敏电阻的反应时间为25ns，气体放电管的反应时间为100ns，则图4的R2,G,R3的反应时间为150ns，为改善反应时间加入R1压敏电阻,这样可使反应时间为25ns。

图4  气体放电管和压敏电阻配合应用
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5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。

图5  三级保护
7  结语
各种电子系统，以及通信网络等，经常会受到外来的电磁干扰，这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。针对这些问题，要做好全面的预防保护措施，就需要先找到问题的根源，再选用合适的浪涌抑制器件予以解决。