氣體放電管在浪涌抑制電路的應用

摘要：闡述了浪涌電壓產生的機理，介紹了氣體放電管的工作原理、特性參數和在浪涌抑制電路中的應用。

關鍵詞：浪涌電壓抑制；氣體放電管；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（crow bar）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。

(a) BB型 (b)BBS型

圖1 氣體放電管的基本外形

4 氣體放電管與其它浪涌抑制器件參數比較

1）火花間隙（Arc chopping）

為兩個形狀象牛角的電極，彼此間有很短的距離。當兩個電極間的電位差達到一定程度時，間隙被擊穿打火放電，由此將過電流釋放入地。

優點：放電能力強，通流容量大（可做到100kA以上），漏電流小；

缺點：殘壓高（2～4kV），反應時間慢（≤100ns），有跟隨電流（續流）。

2）金屬氧化物壓敏電阻（Metal oxside varistor）

該器件在一定溫度下，導電性能隨電壓的增加而急劇增大。它是一種以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻。沒有過壓時呈高阻值狀態，一旦過電壓，立即將電壓限制到一定值，其阻抗突變為低值。

優點：通流容量大，殘壓較低，反應時間較快（≤50ns），無跟隨電流（續流）；

缺點：漏電流較大，老化速度相對較快。

3）瞬態抑制二極管（Transient voltage suppressor）

亦稱齊納二極管，是一種專門用于抑制過電壓的器件。其核心部分是具有較大截面積的PN結，該PN結工作在雪崩狀態時，具有較強的脈沖吸收能力。

優點：殘壓低，動作精度高，反應時間快（1ns），無跟隨電流（續流）；

缺點：耐流能力差，通流容量小，一般只有幾百安培。

4）氣體放電管(Gas discharge tube)

氣體放電管可以用于數據線、有線電視、交流電源、電話系統等方面進行浪涌保護，一般器件電壓范圍從75～10000V，耐沖擊峰值電流20000A，可承受高達幾千焦耳的放電。

優點：通流量容量大，絕緣電阻高，漏電流小；

缺點：殘壓較高，反應時間慢（≤100ns），動作電壓精度較低，有跟隨電流（續流）。

各種浪涌抑制器件的共同特點為器件在閾值電壓以下都呈現高阻抗，一旦超過閾值電壓，則阻抗便急劇下降，都對尖峰電壓有一定的抑制作用。但各自都有缺點,因此根據具體的應用場合,一般采用上述器件中的一個或者幾個的組合來組建相應的保護電路。各種浪涌抑制器件的參數對比見表1所列。

表1 幾種常用浪涌抑制器參數比較