氣體放電管的原理
氣體放電管的工作原理可以簡(jiǎn)單地總結(jié)為氣體放電。當(dāng)兩級(jí)間產(chǎn)生足夠大的電量,則會(huì)造成極間間隙被放電擊穿,這時(shí)其便由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為導(dǎo)電狀態(tài),這種現(xiàn)象 與短路較為相似。當(dāng)處于導(dǎo)電狀態(tài)下時(shí),兩極間的電壓會(huì)較低,一般是在20～50V之間,因此,其能夠?qū)蠹?jí)電路起到很好的保護(hù)作用。
氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內(nèi)部由兩個(gè)或數(shù)個(gè)帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構(gòu)成，基本外形如圖1所示。當(dāng)加到兩電極端的電壓達(dá)到使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時(shí)，氣體放電管便開(kāi)始放電，并由高阻變成低阻，使電極兩端的電壓不超過(guò)擊穿電壓。
圖1：氣體放電管的原理
氣體放電管的主要參數(shù)
1)反應(yīng)時(shí)間指從外加電壓超過(guò)擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時(shí)間，氣體放電管反應(yīng)時(shí)間一般在μs數(shù)量極。
2)功率容量指氣體放電管所能承受及散發(fā)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(fā)的電流。
3)電容量指在特定的1MHz頻率下測(cè)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(dāng)外施電壓以500V/s的速率上升，放電管產(chǎn)生火花時(shí)的電壓為擊穿電壓。氣體放電管具有多種不同規(guī)格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類(lèi)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(shí)測(cè)量的氣體放電管電阻,一般>1010Ω。
氣體放電管的設(shè)計(jì)實(shí)例
1)電話(huà)機(jī)/傳真機(jī)等各類(lèi)通訊設(shè)備防雷應(yīng)用
如圖2所示。特點(diǎn)為低電流量，高持續(xù)電源，無(wú)漏電流，高可靠性。
圖2 通訊設(shè)備防雷應(yīng)用
2)氣體放電管和壓敏電阻組合構(gòu)成的抑制電路
圖3是氣體放電管和壓敏電阻組合構(gòu)成的浪涌抑制電路。由于壓敏電阻有一致命缺點(diǎn)：具有不穩(wěn)定的漏電流，性能較差的壓敏電阻使用一段時(shí)間后，因漏電流變大可 能會(huì)發(fā)熱自爆。為解決這一問(wèn)題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。但這又帶來(lái)了缺點(diǎn)就是反應(yīng)時(shí)間為各器件的反應(yīng)時(shí)間之和。例如壓敏電阻的反應(yīng)時(shí)間為25ns， 氣體放電管的反應(yīng)時(shí)間為100ns，則圖3的R2,G,R3的反應(yīng)時(shí)間為150ns，為改善反應(yīng)時(shí)間加入R1壓敏電阻,這樣可使反應(yīng)時(shí)間為25ns。
圖3 氣體放電管和壓敏電阻配合應(yīng)用
3)氣體放電管在綜合浪涌保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用
自動(dòng)控制系統(tǒng)所需的浪涌保護(hù)系統(tǒng)一般由二級(jí)或三級(jí)組成，利用各種浪涌抑制器件的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。氣體放電管一般放在線(xiàn)路輸入端，做為一級(jí)浪涌保護(hù) 器件，承受大的浪涌電流。二級(jí)保護(hù)器件采用壓敏電阻，在μs級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)。對(duì)于高靈敏的電子電路，可采用三級(jí)保護(hù)器件TVS，在ps級(jí)時(shí)間范圍 內(nèi)對(duì)浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。如圖4所示。當(dāng)雷電等浪涌到來(lái)時(shí)，TVS首先起動(dòng)，會(huì)把瞬間過(guò)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(dòng)，并泄放 一定的浪涌電流;兩端的電壓會(huì)有所提高，直至推動(dòng)前級(jí)氣體放電管的放電，把大電流泄放到地。
圖4 三級(jí)保護(hù)
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(xiàn)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(xiàn)路的最大正常工作電壓。據(jù)此確定所需放電管的標(biāo)稱(chēng)直流擊穿電壓值。
2、確定線(xiàn)路所能承受的最高瞬時(shí)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(dāng)瞬間過(guò)壓來(lái)臨時(shí)，放電管的反映速度快于線(xiàn)路的反映速度，搶先一步將過(guò)電壓限制在安全值。這是放電管的一個(gè)最重要的指標(biāo)。
3、根據(jù)線(xiàn)路中可能竄入的沖擊電流強(qiáng)度，確定所選用放電管必須達(dá)到的耐沖擊電流能力(如：在室外一般選用10kA以上等級(jí);在入室端一般選用5kA等級(jí);在設(shè)備終端處一般選用2kA左右等級(jí))。
4、當(dāng)過(guò)電壓消失后，要確保放電管及時(shí)熄滅，以免影響線(xiàn)路的正常工作。這就要求放電管的過(guò)保持電壓盡可能高，以保證正常線(xiàn)路工作電壓不會(huì)引起放電管的持續(xù)導(dǎo)通(即續(xù)流問(wèn)題)。
5、若過(guò)電壓持續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)，氣體放電管的長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作將產(chǎn)生很高的熱量。為了防止該熱量所造成的保護(hù)設(shè)備或者終端設(shè)備的損壞同時(shí)也為了防止發(fā)生任何可能的火災(zāi)，氣體放電管此時(shí)必須配上適當(dāng)?shù)亩搪费b置，我們稱(chēng)之為FS裝置( 即“失效保護(hù)裝置”)。
氣體放電管選型很重要，在放電管工作中能長(zhǎng)期發(fā)揮穩(wěn)定質(zhì)量保障更重要。
氣體放電管具有很強(qiáng)的承受大能量沖擊的能力，但在具體使用時(shí)，由于氣體放電管在放電時(shí)殘壓極低，近似于短路狀態(tài)，因此不能單獨(dú)在電源避雷器中使用，氣體放電管的耐流能力與管徑有關(guān)，管徑越大，耐流能力越好。
氣體放電管的質(zhì)量問(wèn)題主要表現(xiàn)為慢性漏氣，長(zhǎng)時(shí)間使用的可靠性問(wèn)題(即遭受多次雷電沖擊后，直流擊穿 電壓值發(fā)生偏移)，光敏效應(yīng)和離散性較大。雖然近年來(lái)國(guó)產(chǎn)的氣體放電管有了較大的改進(jìn)，質(zhì)量在逐步提高，但整體質(zhì)量問(wèn)題仍然存在，特別是可靠性問(wèn)題和慢性 漏氣問(wèn)題。因此電源避雷器中選擇進(jìn)口名牌氣體放電管的產(chǎn)品應(yīng)作為首選，且氣體放電管的管徑在Ф8㎜以上為好。