气体放电管在浪涌抑制电路的应用

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 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。

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