關于氣體放電管的原理參數分析

ID:807588 · 發表于 2020-9-24 16:57

氣體放電管包括二極管和三極管，電壓范圍從75V—3500V，超過一百種規格，嚴格按照CITEL標準進行生產、監控和管理。放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態過電流和限制過電壓作用。

介紹：氣體放電管包括貼片、二極管和三極管，電壓范圍從75V—3500V，超過一百種規格，嚴格按照CITEL標準進行生產、監控和管理。

放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態過電流和限制過電壓作用。

優點：絕緣電阻很大，寄生電容很小，浪涌防護能力強。

缺點：在于放電時延(即響應時間)較大，動作靈敏度不夠理想，部分型號會出現續流現象，長時間續流會導致失效，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效地抑制。

放電管的工作原理是氣體放電。

當外加電壓增大到超過氣體的絕緣強度時，兩極間的間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平。

五極放電管的主要部件和兩極、三極放電管基本相同，有較好的放電對稱性，可適用于多線路的保護。（常用于通信線路的保護）

響應時間

從暫態過電壓開始作用于放電管兩端的時刻到管子實際放電時刻之間有一個延遲時間，該時間就稱為響應時間。

響應時間的組成：一是管子中隨機產生初始電子-離子對帶電粒子所需要的時間，即統計時延；二是初始帶電粒子形成電子崩所需要的時間，即形成時延。

為了測得放電管的響應時間，需要用固定波頭上升陡度du/dt的電壓源加到放電管兩端測取響應時間，取多次測量的平均值作為該管子的響應時間

限壓電路

二極和三極放電管保護性能的比較

如果A-G極間先放電，在管子內部由氣體游離所產生的自由電子會迅速在B-G極間引起碰撞游離，使B-G很快放電

當B-G間截止放電后，由于大量帶電粒子（電子和離子）的復合作用，使管內的電子數量大為減小，從而迅速抑制另一對電極A-G間的碰撞游離，使該對極間的放電過程很快截止下來。

在差模暫態過電壓的保護場合，無論是兩極放電管還是三極放電管，都存在著一定的問題，因為電子設備要承受兩對電極之間的殘壓之和，對于一些脆弱的電子設備來說，這樣的殘壓之和有時候難以承受。需要采取另外的措施，如在A、B間再接一只放電管，專門用于抑制差模過電壓。

接地連接線的長短對限壓效果有一定的影響。如果接地連接線比較長，則連線本身的電阻和電感也比較大，暫態大電流流過連線時，將產生比較大的電阻電壓降和電感電壓降。

注意事項

接地連線應當具有盡量短的長度

接地連線應具有足夠的截面，以泄放暫態大電流。

放電管的失效模式

放電管受到機械碰撞，超耐受的暫態過電壓多次沖擊以及內部出現老化后，將發生故障。

故障的模式（即失效模式）有兩種：

第一種是呈現低放電電壓和低絕緣電阻狀態；第二種是呈現高放電電壓狀態。

開路故障模式比短路故障模式具有更大的危害性：

開路故障模式令人難以及時察覺，從而不能采取補救措施。

現在的電源SPD產品中，帶有失效報警裝置，如聲，光報警，顏色變化提示等，這些措施的采取對于及時發現和更換已經失效的SPD是有利的。

存在問題

放電管保護應用中存在的問題

一、時延脈沖及續流

從暫態過電壓達到放電管的ufdc（直流放電電壓）到其實際動作放電之間，存在一段時延，時延的大小取決于過電壓波的波頭上升陡度du/dt。

一般不單獨使用放電管來保護電子設備，而在放電管后面再增加一些保護元件，以抑制這種時延脈沖。

續流：放電管泄放過電流結束以后，被保護系統的工作電壓能維持放電管電弧通道的存在，這種情況稱為續流。

續流的存在對放電管本身和被保護系統具有很大的危害性。

熔斷器的額定電流高于被保護系統的正常運行電流，其熔斷電流小于放電管在電弧區的續流。

這種方法會造成供電和信號傳輸的短時中斷，對于要求不高的電子設備可以接受。

二、狀態翻轉及短路反射

放電管在開始放電時，由開路狀態翻轉為導通狀態，翻轉過程中，暫態電流的變化率di/dt很大，這種迅速變化的暫態電流在空間產生暫態電磁場向四周輻射能量，在附近的電源線和信號線上產生干擾，或在周圍的電氣回路中產生感應電壓。通常采取的抑制方法有屏蔽、減小耦合和濾波等。

放電管導通后，入射波被反射回去，使得后面的電子設備得到保護，但反射波電流產生的空間電磁場也會向周圍輻射能量，需要加以抑制。

技術參數

主要技術參數及使用選擇

1．直流放電電壓

在上升陡度低于100V/s的電壓作用下，放電管開始放電的平均電壓值稱為其直流放電電壓。由于放電的分散性，所以，直流放電電壓是一個數值范圍。

2．沖擊放電電壓

在具有規定上升陡度的暫態電壓脈沖作用下，放電管開始放電的電壓值稱為其沖擊放電電壓。

放電管的響應時間或動作時延與電壓脈沖的上升陡度有關，對于不同的上升陡度，放電管的沖擊放電電壓是不同的。

3．工頻耐受電流

放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流稱為其工頻耐受電流。

4．沖擊耐受電流

將放電管通過規定波形和規定次數的脈沖電流，使其直流放電電壓和絕緣電阻不會發生明顯變化的最大值電流峰值稱為管子的沖擊耐受電流。

這一參數是在一定波形和一定通流次數下給出的，制造廠通常給出在8/20us波形下通流10次的沖擊耐受電流，也有給出在10/1000us波形下通流300次的沖擊耐受電流。

5．絕緣電阻和極間電容

放電管的絕緣電阻值很大，廠家一般給出的是絕緣電阻的初始值，約為數千兆歐。絕緣電阻值的降低會導致漏流的增大，有可能產生噪音干擾。

放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1pF～5pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內保持近似不變，同型號放電管的極間電容值分散性很小。

6. 直流放電電壓的選擇

從不影響被保護系統正常運行的要求出發，希望放電管的直流放電電壓選得高些。但直流放電電壓高的管子，沖擊放電電壓也高；

從被保護電子設備的耐受性來說看，希望管子的直流放電電壓選得低一些。

所以，放電管的支流放電電壓應在這兩種相互制約的要求之間進行折衷選擇。

優缺點

優點：絕緣電阻很大，寄生電容很小，

缺點：在于放電時延(即響應時間)較大，動作靈敏度不夠理想，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效地抑制。

應用

1、浪涌電壓的產生和抑制原理

在電子系統和網絡線路上，經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，線路故障等產生的操作過電壓；由于雷電等自然現象引起的雷電浪涌。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（crowbar）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。

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