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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-11-03 11:36
本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之氣體放電管以及一些常用的電路。
1、概述:
防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)、還有電感、電阻、電容等。
下面我們首先來(lái)詳細(xì)分析氣體放電管的工作原理。
氣體放電管（Gas Discharge Tube，簡(jiǎn)稱GDT）是一種開關(guān)型保護(hù)器件，它用一種陶瓷或玻璃封裝，其內(nèi)部充有一定量的惰性氣體（如氬氣和氖氣），其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
如下圖所示為其常用原理圖符號(hào)：
物如其名，氣體放電管的工作原理就是氣體放電?
當(dāng)兩極間的電壓足夠大時(shí), 極間間隙將被放電擊穿, 由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài), 類似短路?
導(dǎo)電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低, 一般為20~50V, 因此可以起到保護(hù)后級(jí)電路的效果?
氣體放電管的主要指標(biāo)有響應(yīng)時(shí)間? 直流擊穿電壓? 沖擊擊穿電壓? 通流容量? 絕緣電阻? 極間電容及續(xù)流遮斷時(shí)間?
以下是某品牌3RA-5S系列的氣體放電管主要參數(shù)：
下面對(duì)表中參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：
直流擊穿電壓(DC Spark-over Voltage)：在放電管兩端施加上升的電壓時(shí)，使氣體放電管發(fā)生擊穿的電壓值。
這個(gè)電壓的測(cè)試條件是100V/s，這是一個(gè)相對(duì)比較緩慢的上升率。
這個(gè)電壓一般是氣體放電管的標(biāo)稱電壓，如75V、90V、150V、200V、230V、350V、470V、600V、800V等幾種。
其誤差一般在±30%左右，也有±20%和±15%的，如下為某平臺(tái)的放電管的基本參數(shù)：
沖擊擊穿電壓(Impulse Spark-over Voltage)：在放電管極間施加一個(gè)快速變化的沖擊電壓時(shí)，使放電管發(fā)生擊穿的電壓。
如該系列的氣體放電管沖擊擊穿電壓的測(cè)試條件為100V/us和1kV/us。
其擊穿電壓參考曲線如下圖所示：
最小的絕緣（Minimum Insulation Resistance）：氣體放電管各個(gè)引腳之間的絕緣電阻大小，該值一般比較大，有上GΩ。
70-150V的直流擊穿電壓下，測(cè)試條件通常是DC50V，150V以上的電壓，測(cè)試條件通常是DC100V。
最大電容（Maximum Capacitance）：該電容為最大的極間電容，測(cè)試條件通常為1MHz，氣體放電管的極間電容通常比較小，一般為5pF以下。
弧光電壓（Arc Voltage）：在1A弧光電流流過(guò)氣體放電管時(shí)的壓降。
輝光電源（Glow Voltage）：輝光電流流經(jīng)期間，跨越氣體放電管的電壓降的峰值，它有時(shí)也被稱為輝光模式電壓。
其電氣特性參數(shù)曲線如下圖所示：
有關(guān)壽命的參數(shù)介紹如下：
沖擊放電電流(Impulse Discharge Crurrent)：在規(guī)定的放電次數(shù)內(nèi)，流經(jīng)放電管放電間隙的沖擊電流峰值。
80/20us代表一個(gè)上升時(shí)間為8 µs，半峰值時(shí)間為20 µs的沖擊電流波形，如下圖所示：
交流放電電流（Alternating Discharge Current）：流經(jīng)氣體放電管的近似正弦交流電流的有效值。
耐受沖擊電流壽命(Impulse Life)：該參數(shù)是衡量GDT耐受多次沖擊電流的能力，在一定程度上反應(yīng)了GDT的穩(wěn)定性及可靠性。
氣體放電管的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到數(shù)百納秒以至數(shù)秒, 在保護(hù)器件中是最慢的?
當(dāng)線纜上的雷擊過(guò)電壓使防雷器中的氣體放電管擊穿短路時(shí), 初始的擊穿電壓基本為氣體放電管的沖擊擊穿電壓, 一般在600V以上?
放電管擊穿導(dǎo)通后, 兩極間維持電壓下降到20~50V?
另外, 氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大?
氣體放電管與TVS等保護(hù)器件合用時(shí)應(yīng)使大部分的過(guò)電流通過(guò)氣體放電管泄放, 因此氣體放電管一般用于保護(hù)電路的最前級(jí), 其后級(jí)的保護(hù)電路由壓敏電阻或TVS管組成?
極間漏電流非常小, 為nA級(jí)，因此氣體放電管并接在線路上對(duì)線路基本不會(huì)構(gòu)成什么影響?
氣體放電管的續(xù)流遮斷是設(shè)計(jì)電路需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題?
如前所述, 氣體放電管在導(dǎo)電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般為20~50V?
在直流電源電路中應(yīng)用時(shí), 如果兩線間電壓超過(guò) 20 V, 則不可以在兩線間直接應(yīng)用放電管，這會(huì)導(dǎo)致GDT一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)GDT和電路造成損壞?
在50Hz交流電源電路中使用時(shí), 雖然交流電壓有過(guò)零點(diǎn), 可以實(shí)現(xiàn)氣體放電管的續(xù)流遮斷。
但氣體放電管類的器件在經(jīng)過(guò)多次導(dǎo)電擊穿后, 其續(xù)流遮斷能力將大大降低, 長(zhǎng)期使用后, 在交流電路的過(guò)零點(diǎn)也不能實(shí)現(xiàn)續(xù)流遮斷?
因此, 在交流電源電路的相線對(duì)保護(hù)地線? 中線對(duì)保護(hù)地線單獨(dú)使用氣體放電管是不合適的?
在以上的線對(duì)之間使用氣體放電管時(shí)需要與壓敏電阻串聯(lián)?
在交流電源電路的相線對(duì)中線的保護(hù)中基本不使用氣體放電管?
在防雷電路的設(shè)計(jì)中, 應(yīng)注重氣體放電管的直流擊穿電壓? 沖擊擊穿電壓? 通流容量等參數(shù)值的選取?
設(shè)置在普通交流線路上的放電管, 要求它在線路正常運(yùn)行電壓及其允許的波動(dòng)范圍內(nèi)不能動(dòng)作, 則它的直流放電電壓應(yīng)滿足:
min (ufdc ) ≥1.8UP
式中:
min (ufdc ) 為直流擊穿電壓的最小值。
UP 為線路正常運(yùn)行電壓的峰值?
氣體放電管主要可應(yīng)用：
在交流電源口相線? 中線的對(duì)地保護(hù)。
直流電源口的工作地和保護(hù)地之間的保護(hù)。
信號(hào)口中線對(duì)地的保護(hù)。
射頻信號(hào)饋線芯線對(duì)屏蔽層的保護(hù)?
氣體放電管的失效模式在多數(shù)情況下為開路, 因電路設(shè)計(jì)原因或其他因素導(dǎo)致放電管長(zhǎng)期處于短路狀態(tài)而被燒壞時(shí), 也可引起短路的失效模式?
氣體放電管使用壽命相對(duì)較短, 經(jīng)多次沖擊后性能會(huì)下降?
因此, 由氣體放電管構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題?
2、電路分享：
氣體放電管常用做防雷擊浪涌用，以下分享幾個(gè)常用的電路。
電路一：AC電源保護(hù)
圖中MOV（Metal Oxide Varistors）是壓敏電阻。
電路二：DC電源保護(hù)
電路三：二級(jí)氣體放電管信號(hào)線路保護(hù)
電路四：三級(jí)氣體放電管信號(hào)線路保護(hù)
電路五：其它參考電路
氣體放電管在使用時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
在電源線路中最大運(yùn)行電壓超過(guò)氣體放電管的最小開啟電壓時(shí)，不能使用氣體放電管。
氣體放電管在長(zhǎng)時(shí)間電流壓力下會(huì)變熱（起火），這種過(guò)載將使連接器失效或器件損壞。
如果氣體放電管的接觸有缺陷，超載的電流能產(chǎn)生火花和大的噪音。
氣壓在55 kPa 到106 kPa，對(duì)應(yīng)海拔為+5000m到–500m。
要輕拿輕放，避免跌落。
不能繼續(xù)使用已經(jīng)損壞的氣體放電管。
要按照廠家推薦的PCB焊盤的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止因?yàn)镻CB焊盤和焊接材料的使用減小隔離強(qiáng)度。
SMD封裝的氣體放電管必須在24個(gè)月內(nèi)完成焊接。
來(lái)源：電子工程師之家
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