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