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氣體放電管在浪涌抑制電路中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2012-11-01 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責任編輯:Hedyxing

導讀:由于外界干擾、雷電、過電壓等引起的浪涌對電子設(shè)備會造成嚴重的損壞。本文通過介紹浪涌電壓產(chǎn)生的機理,講解氣體放電管的工作原理、特性參數(shù)以及在電路中如何抑制浪涌的危害。

相關(guān)閱讀:第一講:解析雷電和浪涌的產(chǎn)生、危害及防護措施
                 
http://m.anotherwordforlearning.com/article_80018612.html

1、浪涌電壓的產(chǎn)生和抑制原理

在電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)線路上,經(jīng)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(chǎn)生的操作過電壓;由于雷電等自然現(xiàn)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(tǒng)的安全工作。消除浪涌噪聲干擾,防止浪涌危害一直是關(guān)系電子設(shè)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(shè)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(nèi)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(shè)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?qū)ΨQ開關(guān)(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(tài)電壓抑制器(TVS)等。

3、氣體放電管的構(gòu)造及基本原理
   
氣體放電管采用陶瓷密閉封裝,內(nèi)部由兩個或數(shù)個帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構(gòu)成,基本外形如圖1所示。當加到兩電極端的電壓達到使氣體放電管內(nèi)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。

圖1 氣體放電管的基本外形
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4、氣體放電管與其它浪涌抑制器件參數(shù)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(yōu)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(yīng)時間慢(≤100ns),有跟隨電流(續(xù)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(tài),一旦過電壓,立即將電壓限制到一定值,其阻抗突變?yōu)榈椭怠?
   
優(yōu)點:通流容量大,殘壓較低,反應(yīng)時間較快(≤50ns),無跟隨電流(續(xù)流);
   
缺點:漏電流較大,老化速度相對較快。
   
3)瞬態(tài)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(jié),該PN結(jié)工作在雪崩狀態(tài)時,具有較強的脈沖吸收能力。
   
優(yōu)點:殘壓低,動作精度高,反應(yīng)時間快(<1ns),無跟隨電流(續(xù)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(shù)據(jù)線、有線電視、交流電源、電話系統(tǒng)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(yōu)點:通流量容量大,絕緣電阻高,漏電流小;
   
缺點:殘壓較高,反應(yīng)時間慢(≤100ns),動作電壓精度較低,有跟隨電流(續(xù)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(xiàn)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(jù)具體的應(yīng)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(yīng)的保護電路。各種浪涌抑制器件的參數(shù)對比見表1所列。

表1 幾種常用浪涌抑制器參數(shù)比較
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5、氣體放電管的主要參數(shù)
   
1)反應(yīng)時間指從外加電壓超過擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的時間,氣體放電管反應(yīng)時間一般在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)直流擊穿電壓當外施電壓以500V/s的速率上升,放電管產(chǎn)生火花時的電壓為擊穿電壓。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)電流—電壓特性曲線以美國克來電子公司CG2-230L氣體放電管為例,如圖2所示。
   
7)絕緣電阻是指在外施50或100V直流電壓時測量的氣體放電管電阻,一般>1010Ω。

圖2 電流-電壓特性曲線

6、氣體放電管的應(yīng)用示例
   
1)電話機/傳真機等各類通訊設(shè)備防雷應(yīng)用

如圖3所示。特點為低電流量,高持續(xù)電源,無漏電流,高可靠性。

圖3 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4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:具有不穩(wěn)定的漏電流,性能較差的壓敏電阻使用一段時間后,因漏電流變大可能會發(fā)熱自爆。為解決這一問題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。但這又帶來了缺點就是反應(yīng)時間為各器件的反應(yīng)時間之和。例如壓敏電阻的反應(yīng)時間為25ns,氣體放電管的反應(yīng)時間為100ns,則圖4的R2,G,R3的反應(yīng)時間為150ns,為改善反應(yīng)時間加入R1壓敏電阻,這樣可使反應(yīng)時間為25ns。

圖4 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系統(tǒng)中的應(yīng)用
   
自動控制系統(tǒng)所需的浪涌保護系統(tǒng)一般由二級或三級組成,利用各種浪涌抑制器件的特點,可以實現(xiàn)可靠保護。氣體放電管一般放在線路輸入端,做為一級浪涌保護器件,承受大的浪涌電流。二級保護器件采用壓敏電阻,在μs級時間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)。對于高靈敏的電子電路,可采用三級保護器件TVS,在ps級時間范圍內(nèi)對浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)。如圖5所示。當雷電等浪涌到來時,TVS首先起動,會把瞬間過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,并泄放一定的浪涌電流;兩端的電壓會有所提高,直至推動前級氣體放電管的放電,把大電流泄放到地。

圖5 三級保護

各種電子系統(tǒng),以及通信網(wǎng)絡(luò)等,經(jīng)常會受到外來的電磁干擾,這些干擾主要來自電源線路的暫態(tài)過程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會使得系統(tǒng)動作失誤甚至硬件損壞。針對這些問題,要做好全面的預(yù)防保護措施,就需要先找到問題的根源,再選用合適的浪涌抑制器件予以解決。

相關(guān)閱讀:對比解析:氣體放電管及壓敏電阻的原理及特性
                
http://m.anotherwordforlearning.com/article_80018857.html
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