一、關(guān)于浪涌電流的解釋

在使用器件對系統(tǒng)進行瞬變干擾抑制的時候，前提需要清楚使用的場合跟測試的規(guī)格標準。繼續(xù)上一次推送，先對《GB/T 17626.5 電磁兼容試驗和測量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗》進行分析，規(guī)范規(guī)定了不測試電壓等級、不同形狀的開路電壓及短路電流測試波形：

對于連接到對稱通信線的端口，使用開路電壓波形為10/700μs(波前時間10μs，半峰時間700μs)的組合波發(fā)生器，這種發(fā)生器對應(yīng)的短路電流波形為5/320μs。

而對于連接到電源線和短距離信號互連線的端口，使用1.2/50μs的組合波發(fā)生器，這種發(fā)生器對應(yīng)的短路電流波形為8/20μs。

這兩種波形本身不矛盾，數(shù)值上的線性是由于發(fā)生器有效輸出阻抗固定為2×(1±10%)Ω，但二者的出現(xiàn)是相互對立的。測試時浪涌發(fā)生器輸出波形的判定取決于負載設(shè)備端口的輸入阻抗。當作為負載的被測設(shè)備端口呈現(xiàn)高阻抗(如端口沒有保護電路，或保護電路斷開或未開始工作)時，判定標準為規(guī)定的開路電壓波形;當作為負載的被測設(shè)備端口呈現(xiàn)低阻抗(如保護電路短路)時，判定標準為規(guī)定的短路電流波形。

二、關(guān)于氣體放電管

壓敏電阻的峰值電流承受能力確實很大，但是相對其箝位效果比較差，箝位電壓會比較高;于此同時由于箝位吸收引起的發(fā)熱會使得其本身結(jié)構(gòu)受損，浪涌沖擊次數(shù)的增加，其漏電流會增大。

氣體放電管是雷擊浪涌抑制兩大類器件中“開關(guān)型器件”的代表。放電管本身的寄生電容較小，可看成低電容的對稱開關(guān)，當放電管兩端的電壓高于擊穿電壓，開關(guān)打開直接將浪涌能量泄放到地。其抑制效果可以形象地用下圖表示：

1、壓敏電阻結(jié)構(gòu)

氣體放電管(GDT)又稱陶瓷氣體放電管，由金屬電機與陶瓷管殼組成的密封氣體放電器件，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，有二極管與三級管，一般用于對地的過電壓保護。具體來講，它是采用金屬化陶瓷絕緣管殼及電焊接技術(shù)，將少量氣體(主要是稀有氣體氖、氬)封閉在內(nèi)部。通過改變內(nèi)部氣體壓力、電機涂層材料成分及電極間距，可以改變GDT的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、工頻耐流能力及壽命等。

氣體放電管工作過程可解釋為：A、當加在氣體放電管兩端電壓超過擊穿電壓時，放電管氣體被電離，放電管開始放電。放電管兩端的電壓迅速下降至輝光放電電壓，管內(nèi)電流開始升高(70~150V，與管子性質(zhì)有關(guān)，下同)。B、管內(nèi)電流進一步增大，放電管內(nèi)部稀有氣體進入放電狀態(tài)，此時管子兩端電壓很低(10~35V)，這個狀態(tài)會保持一段時間。C、當流過GDT的電流降到維持放電狀態(tài)的電壓一下(10~100mA)，放電停止，放電結(jié)束，恢復原來電壓值。

放電過程由于稀有氣體放電消耗能量很小，氣體放電管本身損耗能量很小，能量基本泄放到地。因為氣體放電需要一個過程，所以氣體放電管的相應(yīng)時間比較長，一般幾百ns甚至μs。

2、特征參數(shù)

氣體放電管的工作過程是：當電壓超過擊穿電壓時，氣體放電管放電，并將浪涌能量直接泄放到地，等管子電流低于放電電流時，結(jié)束放電。常作為選型考慮的有下面一些參數(shù)：

1)直流擊穿電壓(DC spark-overvoltage)：系統(tǒng)工作在一個低上升率(測試波形dv/dt≤100V/s)電壓波形時測得的擊穿電壓，一般是一個電壓區(qū)間。代表了受保護系統(tǒng)可正常工作范圍。

2)沖擊(或浪涌)擊穿電壓(Impulsespark-over voltage)：系統(tǒng)工作在一個高上升率(1kV/μs，或用100 V/μs 、5kV/μs)電壓波形時測得的擊穿電壓，一般是一個電壓區(qū)間，代表了一般防護時的擊穿電壓。

3)標稱放電電流(使用壽命Service life)：

①通過50Hz交流電流的額定有效值，通常規(guī)定放電10次(每次放電時間1s)可通過最大電流有效值、單次(放電0.18s，連續(xù)9個周波)使用可通過最大電流有效值。

②8/20μs波形的額定放電電流，通常規(guī)定單次使用可通過最大放電電流值、放電10次可通過最大電流。

4)絕緣電阻(Insulationresistance)：放電管未著火時，放電管的絕緣電阻值。一般對90V和150V的放電管測試用50V(DC);其余規(guī)格的放電管測試電壓用100V(DC)。要求絕緣電阻為1~10GΩ。

5)電容(Capacitance)：放電管電極間電容，一般在2~10pF。

此外，要注意的是選用氣體放電管標識的擊穿電壓一般是擊穿電壓區(qū)間居中的電壓值，舉個例子，之前用過TDK的氣體放電管，其規(guī)格為800V，實際工作擊穿電壓是一個電壓區(qū)間，其產(chǎn)品規(guī)格書中有如下標識：

3、使用注意事項

作為瞬變干擾抑制保護器件，氣體放電管選型同樣要保證接入電路可以對浪涌電壓進行箝位，又要保證不能影響電路正常工作過程。綜合來講有幾個點：

1)受保護電子設(shè)備的正常工作電壓要保證低于氣體放電管的直流擊穿電壓最小值，且有一定余量。

2)氣體放電管的吸收能力強，但是吸收速度很低(0.1~0.3μs)，適合作為第一次對于浪涌大能量的初級吸收，或配合壓敏電阻一起使用。

3)氣體放電管在浪涌過電壓過去之后，不能馬上熄弧，特別是當保護線路由低阻抗的電源供電時(如由50Hz交流電網(wǎng)供電)，由于起弧后放電管也是低電阻，導致分壓均勻，熄弧不能馬上實現(xiàn)，實際流過電流可能超過限值很多倍。續(xù)流時間過長就容易出現(xiàn)過載而爆裂。對于直流電供電的高阻抗就沒有這個問題。故使用時應(yīng)分析端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性。

4)焊接掰動引腳時，同樣應(yīng)該注意先固定引腳，防止操作過程損傷GDT內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

5)電極引線長度對限壓同樣有很大影響。由于引線存在寄生電感以及電阻，瞬態(tài)大電流會引起瞬間高壓，不利于設(shè)備保護;PCB走線同樣也需要短而寬的走線，使得電路截面積盡可能大。

4、應(yīng)用電路：

1)單只使用：將線上的浪涌能量泄放到大地。一般線地之間使用單只氣體放電管，可使用兩只二極管或一只三極管，但實際上兩只二極管不如一只三極管好。首先，兩只氣體放電管的體積比單只三極管的電路體積更大。其次，兩只二極管結(jié)構(gòu)特性無法完全一致，放電必定有先后，會出現(xiàn)瞬態(tài)差模過壓的現(xiàn)象;而三極管不論兩邊是否有差異，當其中一側(cè)開始放電，內(nèi)部氣體電離產(chǎn)生的自由電子會迅速擴散并引起另一部分迅速放電，使得兩條線同時泄放能量。

注意：直接使用氣體放電管進行共模浪涌抑制的時候，應(yīng)保證氣體放電管放電導通殘壓大于線間的壓差的1.7倍，保證氣體放電管在吸收浪涌后不會因為兩端電壓過高而導致續(xù)流。

為了避免氣體放電管放電后電流持續(xù)，當線地之間電壓差值較大時，也可以在放電管上串聯(lián)壓敏電阻等器件限制續(xù)流。這樣做雖然使得兩條輸入線的浪涌抑制方式有異，但是可以使得浪涌過后流過氣體放電管電流小于放電管的維持電流，而非將氣體放電管直接串聯(lián)在高壓線與大地之間。

2)與壓敏電阻配合使用：由于放電管存在殘留電壓，如果選擇殘留電壓較高的放電管(以滿足最高輸入電壓的1.7倍)，放電管的點火擊穿電壓也會很高，這可能對一些要求保護電壓比較低的設(shè)備也起不到過壓保護作用，為此可以選用殘留電壓比較低的放電管與壓敏電阻串聯(lián)使用，這樣可以降低浪涌電壓的門檻，同時放電管對壓敏電阻也起到一定的保護作用(加到壓敏電阻兩端的電壓相對變小了)。

此外，由于壓敏電阻本身較大的寄生電容，導致它有較大的漏電流，而氣體放電管漏電流很小，使得系統(tǒng)幾乎沒有漏電流。沒有瞬變電壓時，GDT將MOV與系統(tǒng)隔開，使得支路漏電流極低。當過壓時，由于放電管發(fā)電的壓降很低，此時放電管放電，此時主要由壓敏電阻起作用。干擾過去后又恢復截止狀態(tài)將壓敏電阻與大地隔開。如果壓敏電阻在吸收浪涌能量過程出現(xiàn)短路失效，也可以通過氣體放電管隔開。

另外，在通訊電路中，壓敏電阻必須要與放電管串聯(lián)起來使用，因為壓敏電阻的分布電容非常大(幾百PF到幾千pF)，而放電管的分布電容非常小(只有幾pF)，不會對信號造成短路。

3)由于制造時的參數(shù)差異性，氣體放電管最好不要進行并聯(lián)使用。

原文標題：瞬變干擾吸收器件講解(二)——氣體放電管[20220316]

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審核編輯：湯梓紅