氣體放電管：一種“古老”的保護元器件擴展了其多功能性

作者： Bill Schweber

電路保護就像保險：直到需要時才會知道它的好。電路保護分為兩大類：過流保護（如保險絲）和過壓保護（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 可單獨用于過壓保護，也可與其他過壓和過流器件結(jié)合使用。（圖片來源：Bourns, Inc.）

氣體放電管 (GDT) 及其導電點的概念可能會讓人聯(lián)想到《科學怪人》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的線路或?qū)w（通常是交流電源線、I/O 端口或其他裸露導體）與系統(tǒng)地線之間。

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

然而，當端子上的電壓超過器件的沖擊放電電壓時，GDT 中的氣體就會完全電離，不再充當絕緣體。而是在幾分之一微秒內(nèi)發(fā)生器件端子間的傳導（圖 2）。GDT 的撬棍效應不僅可有效地將過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：超出過電壓限制時，GDT 氣體會發(fā)生電離，器件會在不到一微秒的時間內(nèi)從接近無窮大的阻抗變?yōu)楦邔щ娡?。（圖片來源：Bourns, Inc.）

當浪涌事件消退、系統(tǒng)電壓恢復到正常水平時，GDT 將恢復為高阻抗（關(guān)）狀態(tài)。另一個好處是，GDT 與其他電壓保護器件不同，它還具有非極性（雙向）的特點，不會因反復發(fā)生沖擊放電而磨損。

從本杰明·富蘭克林和他的風箏實驗（1752 年）開始，到漢弗萊·戴維使用火花電?。?9 世紀初），GDT 歷經(jīng)滄桑，其火花隙原理到現(xiàn)在也已過時，盡管如此，GDT 卻仍然具有很強的生命力。GDT 不斷演進，以滿足當今電路和系統(tǒng)的需求。

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

GDT 仍在不斷改進

例如，[Bourns, Inc.]的 [GDT28H]系列下一代大電流 GDT 顯著提高了對雷電和其他交流電源線干擾引起的電壓瞬變的保護能力。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（左）表示 GDT28H 系列中的小型圓柱形封裝器件。（圖片來源：Bourns, Inc.）

目標應用包括電源、照明、HVAC 以及必須符合 IEC 62368-1:2018 標準的產(chǎn)品。這一廣泛應用的安全標準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)和辦公機器中的電氣和電子設備。

通過 UL 認證的 GDT28H 系列特別適合在交流隔離情況下使用。該系列通過更寬的工作電壓范圍、高絕緣電阻和更高的額定浪涌實現(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用。

其中一個系列成員是 [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（標稱 8/20 μs）。脈沖沖擊放電電壓在 100 V/μs 時為 2500 V（最大值），在 1 kV/μs 時為 2750 V。

對于需要評估這些 GDT 的設計人員，Bourns 還提供了 [DK-GDT28H-01]設計套件。該套件包括 20 個來自該系列的 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 GDT。

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

兩者的不同之處在于：對于 GDT，火花由不可預知的過壓事件產(chǎn)生，而對于火花塞功能，火花則是通過精確定時有意觸發(fā)。

總結(jié)

保護電路的元器件不受過壓和過流事件影響對系統(tǒng)設計至關(guān)重要。GDT 可快速將瞬變分流到大地，從而防止過壓到達、損壞或損毀下游元器件。Bourns 開發(fā)的這些器件采用符合所有相關(guān)法規(guī)標準的微型圓柱形封裝，能夠處理各種過電壓和相關(guān)浪涌電流，使其實用性顯著提高。

審核編輯 黃宇