氣體放電管：一種“古老”的保護(hù)元器件擴(kuò)展了其多功能性

作者： Bill Schweber

電路保護(hù)就像保險(xiǎn)：直到需要時(shí)才會(huì)知道它的好。電路保護(hù)分為兩大類：過(guò)流保護(hù)（如保險(xiǎn)絲）和過(guò)壓保護(hù)（如使用金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 和氣體放電管 (GDT) 電涌放電器等器件）（圖 1）。

圖 1：GDT 可單獨(dú)用于過(guò)壓保護(hù)，也可與其他過(guò)壓和過(guò)流器件結(jié)合使用。（圖片來(lái)源：Bourns, Inc.）

氣體放電管 (GDT) 及其導(dǎo)電點(diǎn)的概念可能會(huì)讓人聯(lián)想到《科學(xué)怪人》電影中的畫面：龐大而笨重的元器件和組件，正在放出劇烈的、非常耀眼的火花。然而，用于電路保護(hù)的 GDT 卻非常小，而且雙電極版本還可以輕松放置在需要保護(hù)的線路或?qū)w（通常是交流電源線、I/O 端口或其他裸露導(dǎo)體）與系統(tǒng)地線之間。

這些 GDT 可將較高的過(guò)電壓引入大地，提供近乎理想的功能。在正常工作條件下，器件內(nèi)部的氣體充當(dāng)絕緣體，GDT 不會(huì)傳導(dǎo)電流；GDT 是電路中最接近隱形的非理想元器件，未激活時(shí)阻抗高達(dá)幾千兆歐，而寄生電容卻僅為幾 pF。

然而，當(dāng)端子上的電壓超過(guò)器件的沖擊放電電壓時(shí)，GDT 中的氣體就會(huì)完全電離，不再充當(dāng)絕緣體。而是在幾分之一微秒內(nèi)發(fā)生器件端子間的傳導(dǎo)（圖 2）。GDT 的撬棍效應(yīng)不僅可有效地將過(guò)電壓限制在較低水平，而且還能將相關(guān)電流或浪涌從下游元器件和電路中分流出去。

圖 2：超出過(guò)電壓限制時(shí)，GDT 氣體會(huì)發(fā)生電離，器件會(huì)在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)從接近無(wú)窮大的阻抗變?yōu)楦邔?dǎo)電通路。（圖片來(lái)源：Bourns, Inc.）

當(dāng)浪涌事件消退、系統(tǒng)電壓恢復(fù)到正常水平時(shí)，GDT 將恢復(fù)為高阻抗（關(guān)）狀態(tài)。另一個(gè)好處是，GDT 與其他電壓保護(hù)器件不同，它還具有非極性（雙向）的特點(diǎn)，不會(huì)因反復(fù)發(fā)生沖擊放電而磨損。

從本杰明·富蘭克林和他的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)（1752 年）開(kāi)始，到漢弗萊·戴維使用火花電?。?9 世紀(jì)初），GDT 歷經(jīng)滄桑，其火花隙原理到現(xiàn)在也已過(guò)時(shí)，盡管如此，GDT 卻仍然具有很強(qiáng)的生命力。GDT 不斷演進(jìn)，以滿足當(dāng)今電路和系統(tǒng)的需求。

空氣中的沖擊放電電壓通常為 30 kV/cm。通過(guò)調(diào)整電極間距和其他因素，可以制造出閃絡(luò)電壓從 100 V 以下到 1000 V 的 GDT。

GDT 仍在不斷改進(jìn)

例如，[Bourns, Inc.]的 [GDT28H]系列下一代大電流 GDT 顯著提高了對(duì)雷電和其他交流電源線干擾引起的電壓瞬變的保護(hù)能力。該系列不僅保持了小巧的體積，而且其高額定浪涌電流還可以在發(fā)生電壓突升事件期間提供更強(qiáng)的限壓水平。

這些雙電極高壓氣體放電管具有高絕緣電阻，直流沖擊放電電壓范圍為 1 kV 至 3.3 kV，額定浪涌電流為 5 kA。與在電影中看到的劇烈火花隙不同，這些 GDT 是全封閉器件，所有系列成員均采用 8 × 6 mm 通孔軸向引線圓柱形封裝，電容低于 1.5 pF（圖 3）。

圖 3：雙電極 GDT 的原理圖符號(hào)（左）表示 GDT28H 系列中的小型圓柱形封裝器件。（圖片來(lái)源：Bourns, Inc.）

目標(biāo)應(yīng)用包括電源、照明、HVAC 以及必須符合 IEC 62368-1:2018 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。這一廣泛應(yīng)用的安全標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電壓低于 600 V 的音頻、視頻、信息和通信技術(shù)以及商業(yè)和辦公機(jī)器中的電氣和電子設(shè)備。

通過(guò) UL 認(rèn)證的 GDT28H 系列特別適合在交流隔離情況下使用。該系列通過(guò)更寬的工作電壓范圍、高絕緣電阻和更高的額定浪涌實(shí)現(xiàn)這一性能。此外，GDT28H 系列還具有 -40°C 至 +125°C 的寬工作溫度范圍，非常適合惡劣條件下的應(yīng)用。

其中一個(gè)系列成員是 [GDT28H-200-A]：一款 2000 ±400 V 的 GDT。與該系列的所有成員一樣，其額定脈沖放電電流為 5 kA（標(biāo)稱 8/20 μs）。脈沖沖擊放電電壓在 100 V/μs 時(shí)為 2500 V（最大值），在 1 kV/μs 時(shí)為 2750 V。

對(duì)于需要評(píng)估這些 GDT 的設(shè)計(jì)人員，Bourns 還提供了 [DK-GDT28H-01]設(shè)計(jì)套件。該套件包括 20 個(gè)來(lái)自該系列的 GDT，由典型沖擊放電電壓分別為 1000、1500、2500 和 3300 VDC 的 4 種器件組成，每種器件提供 5 個(gè) GDT。

GDT 功能是工程師在不同和相互矛盾的應(yīng)用中運(yùn)用基本物理原理的典型范例。GDT 為全封閉式，用于將過(guò)電壓撬到地面，而內(nèi)燃機(jī)的火花塞則是利用裸露飛弧點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的汽油空氣混合物。

兩者的不同之處在于：對(duì)于 GDT，火花由不可預(yù)知的過(guò)壓事件產(chǎn)生，而對(duì)于火花塞功能，火花則是通過(guò)精確定時(shí)有意觸發(fā)。

總結(jié)

保護(hù)電路的元器件不受過(guò)壓和過(guò)流事件影響對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。GDT 可快速將瞬變分流到大地，從而防止過(guò)壓到達(dá)、損壞或損毀下游元器件。Bourns 開(kāi)發(fā)的這些器件采用符合所有相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的微型圓柱形封裝，能夠處理各種過(guò)電壓和相關(guān)浪涌電流，使其實(shí)用性顯著提高。

審核編輯 黃宇