氣體放電管的原理

氣體放電管的工作原理可以簡單地總結為氣體放電。當兩級間產生足夠大的電量,則會造成極間間隙被放電擊穿,這時其便由絕緣狀態轉變成為導電狀態,這種現象與短路較為相似。當處于導電狀態下時,兩極間的電壓會較低,一般是在20～50V之間,因此,其能夠對后級電路起到很好的保護作用。

氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內部由兩個或數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。

氣體放電管的主要參數

1)反應時間指從外加電壓超過擊穿電壓到產生擊穿現象的時間，氣體放電管反應時間一般在μs數量極。

2)功率容量指氣體放電管所能承受及散發的最大能量，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，放電管產生火花時的電壓為擊穿電壓。氣體放電管具有多種不同規格的直流擊穿電壓，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)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。

氣體放電管的設計實例

1)電話機/傳真機等各類通訊設備防雷應用

如圖所示。特點為低電流量，高持續電源，無漏電流，高可靠性。

2)氣體放電管和壓敏電阻組合構成的抑制電路

下圖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熱自爆。為解決這一問題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。在這種串聯組合支路中，氣體放電管起一個開關作用，當沒有暫態過電壓作用時，它能將壓敏電阻與系統隔離開，使壓敏電阻中幾乎無泄漏電流，從而有效地減緩壓敏電阻性能衰退。

3)氣體放電管在綜合浪涌保護系統中的應用

自動控制系統所需的浪涌保護系統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生響應。如圖4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。

陶瓷氣體放電管該如何選擇

1、氣體放電管的加入不能影響線路的正常工作，這就要保證氣體放電管的直流擊穿電壓的下限值必須高于線路的最大正常工作電壓。據此確定所需放電管的標稱直流擊穿電壓值。

2、確定線路所能承受的最高瞬時電壓值，要確保放電管的沖擊擊穿電壓值必須低于此值。以確保當瞬間過壓來臨時，放電管的反應速度快于線路的反應速度，搶先一步將過電壓限制在安全值。這是放電管的一個最重要的指標。

3、根據線路中可能竄入的沖擊電流強度，確定所選用放電管必須達到的耐沖擊電流能力(如：在室外一般選用10kA以上等級;在入室端一般選用5kA等級;在設備終端處一般選用2kA左右等級)。

4、當過電壓消失后，要確保放電管及時熄滅，以免影響線路的正常工作。這就要求放電管的過保持電壓盡可能高，以保證正常線路工作電壓不會引起放電管的持續導通(即續流問題)。

5、若過電壓持續的時間很長，氣體放電管的長時間動作將產生很高的熱量。為了防止該熱量所造成的保護設備或者終端設備的損壞同時也為了防止發生任何可能的火災，氣體放電管此時必須配上適當的短路裝置，我們稱之為FS裝置( 即“失效保護裝置”)。

氣體放電管選型很重要，在放電管工作中能長期發揮穩定質量保障更重要。

氣體放電管具有很強的承受大能量沖擊的能力，但在具體使用時，由于氣體放電管在放電時殘壓極低，近似于短路狀態，因此不能單獨在電源避雷器中使用，氣體放電管的耐流能力與管徑有關，管徑越大，耐流能力越好。

陶瓷氣體放電管的應用背景：

一直以來，在低壓電源端口的雷擊保護器件的選型方面，人們更多的是選擇壓敏電阻MOV或者瞬態抑制二極管TVS，但是，由于壓敏電阻MOV在失效時會引起火災，普通600W或者1500W的TVS通流能力又很小，而現在很多客戶對測試等級的要求又很高，尤其是用于基站的產品，防護等級可達到3KA@8/20μS，如此一來，選擇氣體放電管GDT作為防護器件才能滿足市場需求。可是常規氣體放電管GDT又會帶來續流問題，因此，選擇合適的氣體放電管GDT才能根本解決低壓電源端口的雷擊保護問題。

采用氣體放電管保護的傳統方案的問題：

針對DC12/24V和AC24V端口的雷擊保護傳統的方案通常都選擇常規的兩端和三端氣體放電管GDT來作為保護器件，舊方案如下：

上述圖的陶瓷氣體放電管老方案，四點的不足：

（1）GDT的體積大：

（2）氣體放電管GDT的殘壓高：

體放電管的弧光壓低：GDT的弧光壓比電源電壓低，就會導致續流的危險。

（4）供電電源浮地時，氣體放電管GDT容易誤動作

供電電源出現浮地時，應用上圖傳統的方案時，由于氣體放電管的阻抗很大，所以在放電管兩端會疊加一個很高的電壓，如果氣體放電管GDT的直流開啟電壓過低（方案中用的是直流擊穿電壓90V的GDT），則會導致放電管GDT誤動作，此時氣體放電管會處于“常亮”的狀態，致使系統的供電能力下降甚至喪失。由此可見，選擇90V的氣體放電管，很容易發生誤動作的危險。

解決方案：

使用常規GDT用于低電壓電源端口時，存在上述四點缺陷。新型氣體放電管GDT:BC301N-D，可彌補常規氣體放電管的不足之處。用于低壓12V、24V直流電源防雷設計。

BC301N-D的應用方案：

陶瓷氣體放電管BC301N-D有以下四個優勢：

（1）體積小：

（2）殘壓低

（3）弧光壓高：弧光壓比電源電壓高，不會發生續流的危險

（4）供電電源浮地時，BC301N-D不容易誤動作BC301N-D的直流開啟電壓是300V，常規的氣體放電管是90V的，因此供電電源浮地時，BC301N-D相比不輕易發生誤動作。

總結

由于氣體放電管GDT的工作原理是屬于開關型的，所以在選擇氣體放電管GDT作為電源口防護器件時，必須注意：

1、氣體放電管GDT的弧光壓大于電源工作電壓。

2、氣體放電管GDT的直流開啟電壓大于供電電源的浮地電壓。