導讀：由于外界干擾、雷電、過(guò)電壓等引起的浪涌對電子設備會(huì )造成嚴重的損壞。本文通過(guò)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
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1、浪涌電壓的產(chǎn)生和抑制原理
在電子系統和網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路上，經(jīng)常會(huì )受到外界瞬時(shí)過(guò)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(xiàn)路故障等產(chǎn)生的操作過(guò)電壓；由于雷電等自然現象引起的雷電浪涌。這種過(guò)電壓（或過(guò)電流）稱(chēng)為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾。浪涌電壓會(huì )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(guān)系電子設備安全可靠運行的核心問(wèn)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(shí)間內與大地短接，使浪涌電流分流入地，達到削弱和消除過(guò)電壓、過(guò)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(lèi)
浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類(lèi)型。第一種類(lèi)型為橇棒（crow bar）器件。其主要特點(diǎn)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(lèi)型器件的漏電流小，器件極間電容量小，所以對線(xiàn)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(chēng)開(kāi)關(guān)（CSSPD）等。
另一種類(lèi)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、氣體放電管的構造及基本原理
氣體放電管采用陶瓷密閉封裝，內部由兩個(gè)或數個(gè)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(shí)，氣體放電管便開(kāi)始放電，并由高阻變成低阻，使電極兩端的電壓不超過(guò)擊穿電壓。
圖1 氣體放電管的基本外形
[member]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(gè)形狀象牛角的電極，彼此間有很短的距離。當兩個(gè)電極間的電位差達到一定程度時(shí)，間隙被擊穿打火放電，由此將過(guò)電流釋放入地。
優(yōu)點(diǎn)：放電能力強，通流容量大（可做到100kA以上），漏電流??；
缺點(diǎn)：殘壓高（2～4kV），反應時(shí)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(xiàn)性電阻。沒(méi)有過(guò)壓時(shí)呈高阻值狀態(tài)，一旦過(guò)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(diǎn)：通流容量大，殘壓較低，反應時(shí)間較快（≤50ns），無(wú)跟隨電流（續流）；
缺點(diǎn)：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(chēng)齊納二極管，是一種專(zhuān)門(mén)用于抑制過(guò)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(tài)時(shí)，具有較強的脈沖吸收能力。
優(yōu)點(diǎn)：殘壓低，動(dòng)作精度高，反應時(shí)間快（<1ns），無(wú)跟隨電流（續流）；
缺點(diǎn)：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(xiàn)、有線(xiàn)電視、交流電源、電話(huà)系統等方面進(jìn)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(diǎn)：通流量容量大，絕緣電阻高，漏電流??；
缺點(diǎn)：殘壓較高，反應時(shí)間慢（≤100ns），動(dòng)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(diǎn)為器件在閾值電壓以下都呈現高阻抗，一旦超過(guò)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(diǎn),因此根據具體的應用場(chǎng)合,一般采用上述器件中的一個(gè)或者幾個(gè)的組合來(lái)組建相應的保護電路。各種浪涌抑制器件的參數對比見(jiàn)表1所列。
表1 幾種常用浪涌抑制器參數比較
[page]5、氣體放電管的主要參數
1）反應時(shí)間指從外加電壓超過(guò)擊穿電壓到產(chǎn)生擊穿現象的時(shí)間，氣體放電管反應時(shí)間一般在μs數量極。
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(shí)的電壓為擊穿電壓。氣體放電管具有多種不同規格的直流擊穿電壓，其值取決于氣體的種類(lèi)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(xiàn)以美國克來(lái)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(shí)測量的氣體放電管電阻,一般>1010Ω。
圖2 電流-電壓特性曲線(xiàn)
6、氣體放電管的應用示例
1）電話(huà)機/傳真機等各類(lèi)通訊設備防雷應用
如圖3所示。特點(diǎn)為低電流量，高持續電源，無(wú)漏電流，高可靠性。
圖3 通訊設備防雷應用
2）氣體放電管和壓敏電阻組合構成的抑制電路
圖4是氣體放電管和壓敏電阻組合構成的浪涌抑制電路。由于壓敏電阻有一致命缺點(diǎn)：具有不穩定的漏電流，性能較差的壓敏電阻使用一段時(shí)間后，因漏電流變大可能會(huì )發(fā)熱自爆。為解決這一問(wèn)題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。但這又帶來(lái)了缺點(diǎn)就是反應時(shí)間為各器件的反應時(shí)間之和。例如壓敏電阻的反應時(shí)間為25ns，氣體放電管的反應時(shí)間為100ns，則圖4的R2,G,R3的反應時(shí)間為150ns，為改善反應時(shí)間加入R1壓敏電阻,這樣可使反應時(shí)間為25ns。
圖4 氣體放電管和壓敏電阻配合應用
3）氣體放電管在綜合浪涌保護系統中的應用
自動(dòng)控制系統所需的浪涌保護系統一般由二級或三級組成，利用各種浪涌抑制器件的特點(diǎn)，可以實(shí)現可靠保護。氣體放電管一般放在線(xiàn)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(shí)間范圍內更快地響應。對于高靈敏的電子電路，可采用三級保護器件TVS，在ps級時(shí)間范圍內對浪涌電壓產(chǎn)生響應。如圖5所示。當雷電等浪涌到來(lái)時(shí)，TVS首先起動(dòng)，會(huì )把瞬間過(guò)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(dòng)，并泄放一定的浪涌電流；兩端的電壓會(huì )有所提高，直至推動(dòng)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，以及通信網(wǎng)絡(luò )等，經(jīng)常會(huì )受到外來(lái)的電磁干擾，這些干擾主要來(lái)自電源線(xiàn)路的暫態(tài)過(guò)程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會(huì )使得系統動(dòng)作失誤甚至硬件損壞。針對這些問(wèn)題，要做好全面的預防保護措施，就需要先找到問(wèn)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
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