温度适用范围(陶瓷气体放电管GDT选型指南)

Posted 2023-06-01

篇首语：捐躯赴国难，视死忽如归。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了温度适用范围(陶瓷气体放电管GDT选型指南)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

温度适用范围(陶瓷气体放电管GDT选型指南)

一、气体放电管简介

气体放电管（GDT）是防雷保护设备中应用最广泛的一种开关器件，无论是交直流电源，还是各种信号电路，都可以用它将雷电流泄放入地。GDT 并联在类似电源线、信号线和数据传输线等敏感设备的前端，保护它们免受因闪电和设备开关操作引起的瞬间突变电压的破坏。

气体放电管按照高效率弧光放电的气体物理原理工作。从电气角度看，气体放电管等效于压敏开关。一旦施加到放电管上的电压超过击穿电压，电弧将在毫微秒时间内、在密封放电区域形成。高浪涌电流处理能力和几乎独立于电流的电弧电压会将过压短路。当放电结束，放电管熄灭时，内阻立即恢复为数100 MΩ 。

因此气体放电管几乎满足了被保护元件的所有要求。它能将过压可靠地限制在允许数值范围内，并且在正常工作条件下，由于其高绝缘阻抗和低电容特性，实质上放电管对受保护系统不会产生任何影响。

图1 各种类型的放电管

二、气体放电管结构及工作原理

图2 二极放电管的基本结构

图3 三极放电管的基本结构

气体放电管的内部结构如图所示，它主要由电极及绝缘瓷管组成。在电极的有效电子发射表面上涂有激活化合物(电子粉) ，电极间的距离一般小于 1mm 以提高电子的发射能力。金属电极间充以惰性气体（氩气或氖气）作为电离体。为了保证气体放电管能快速地将浪涌电压限制在低电位，在陶瓷绝缘管内表面制作有一导电带，通过其电场作用来加速放电区域的电离，使放电管具有快速响应特性和可恢复性。当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，并由高阻变成低阻，使电极两端的电压不超过击穿电压。

图4带失效保护卡的三极放电管的基本结构

图5带失效保护卡的三极放电管的基本结构

为在快速上升时获得最佳响应特性，在放电管的绝缘体内表面附加导电带，通过其作用以改变电场分布，加速气体放电过程。气体放电管具有快速响应特性及高可重复性。气体放电管的电气特性，如直流击穿电压、冲击电流、工频放电电流处理能力和使用寿命等能按各种通讯系统要求进行调整优化。这种调整是通过改变气体的种类和压力、电极间距及涂敷材料来实现的。其他形式如外部带有短路簧片装置的三极管，主要是在通讯设备和电力线搭接时提供特殊应用

三、气体放电管的特性

1.气体放电管对过压正弦波的限制

图6a显示了放电管的电压曲线，图6b描述了限制正弦波电压时的电流-时间函数。

图7c结合电压/电流-时间函数获取的气体放电管的电气特性。

简易气体放电管可看作是一个低电容的对称开关，在正常工作时，电阻为GΩ级，着火后跌至1 Ω以下。浪涌消失后放电管恢复到高阻抗状态。图6a显示了放电管的电压曲线，图6b描述了限制正弦波电压时的电流-时间函数。

电压上升到击穿电压Vs期间，基本上没有电流通过。点火后，电压降至辉光状态区G内，辉光电压水平Vgl（70-200 V，电流从10毫安至1.5安培，视管型而定）。随着电流进一步增加，跃变到弧光状态A。在这种状态下，弧光电压极低，一般为10-35 V，在很宽范围内基本与电流无关。随着过电压进一步降低（例如波形第二半周），流过放电管的电流也相应降到维持弧光状态所需的最小值以下。此时弧光放电骤然停止，经过辉光状态后，放电管在电压Ve处熄灭。

2.气体放电管特性参数

1）直流击穿电压：GDT 的静态特性，当外施电压以 100V/s 的速率上升，放电管开始放电的平均电压值。由于放电的分散性，直流击穿电压是一个数值范围，偏差通常为±20%。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于两电极间的距离、气体种类和压力，以及填充的惰性气体的预电离度。此点火电压值即直流击穿电压Vsdc

2）冲击放电电压（脉冲击穿电压）：表示 GDT 的动态特性，在具有规定上升陡度的暂态电压（通常上升速率 1KV/us）脉冲作用下，放电管开始放电的电压值。放电管的响应时间或动作时延与电压脉冲的上升陡度有关，对于不同的上升陡度，放电管的冲击放电电压是不同的。

在较快上升速率电压下，放电管的直流击穿电压Vs大于Vsdc。这种效应的产生是因为气体电离需要一定的时间。这些动态击穿电压都有相当大的离散性。但是通过放电管内壁涂敷的导电带可显著降低其击穿电压的容差上限，并显著降低击穿电压的分布数值，此范围内的点火电压即冲击击穿电压Vsi。冲击击穿电压在实际应用中是评估放电管保护水平的关键因素。

由于国内规格与国际规格的统一，100 V/µs和1 kV/µs电压上升速率（ITU-T、K.12和IEC 61643-11）均用于评估气体放电管的动态特性。其他电压上升速率（如10 kV/µs）示例见图8。

图8典型响应模式

3）冲击耐受电流（标称放电电流）：将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流，使其直流放电电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大电流峰值。这一参数是在一定波形和一定通流次数下给出的。厂家通常会给出在 8/20us 波形下通流 10 次的冲击耐受电流。

4）电容量：指在 1MHz 的特定频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般不大于 1pF。

5）绝缘电阻：是指在两极间施加 50 或 100V 直流电压时测得的电阻值,一般大于 1010 Ω。

6）过保持电压：气体放电管击穿后拉低的电压值。没有明确概念，一般为 20V—80V。

3.气体放电管熄弧特性

1）交流工作状态下：浪涌过后，一般放电管会熄弧，因为交流电压过零时其值会降至放电管的弧光电压以下，但是在低阻抗的电流供给情况下，此熄弧特性无法完全实现。这种情况的出现基本上是电路低内阻和着火后放电管的低电阻特性所造成的。放电管实际通过的电流可能超过允许最大续流量，高达几千安培。

2）直流工作状态下：在通讯系统防护上一般使用直流电源。在持续的直流电压下，浪涌过后放电管应该能够熄弧。因为通讯线路一般具有高阻抗性，故用于其中的放电管能轻易满足此要求。当系统中存在高直流电压或低阻抗时，必须根据个别情况对放电管的熄弧性能进行确认。

下列情况会造成特殊的熄弧状况：zz当直流电压低于最低弧光电压时（10-35 V，依型号而定） zz或低于辉光电压（60-200 V，依型号而定）。在后一种情况下，浪涌过后，应确保通过的最大电流不能维持弧光放电（几百毫安，依类型而定）

4.失效保护卡特性（带失效保护卡的气体放电管）

失效保护卡功能：在电源线和通讯线路搭接时，通常电流会长时间持续通过击穿后的放电管，从而使放电管升温。这种情况下，为了避免周边硬件过热，可通过保护卡装置来监测其受热情况。配置在短路簧片上的分离器（锡焊料或塑料），开始时使短路簧片与电极保持一定的距离，当温度超过使用材料的熔点时锡焊料熔化，簧片偏压使簧片下降并接触放电管电极，使放电管短路。

图9显示以通过放电管电流为函数的短路特性。

四、气体放电管的应用

1.持续电流应用

图10

体放电管不得直接在电源网络中工作。由于这些网络的内部电阻极低，可能会产生超过持续电流允许范围的电流，并通过放电管。这样放电管就不会熄灭，并产生高温。放电管和压敏电阻串联，可以有效地限制持续电流。金属氧化物压敏电阻为该应用提供了高可靠性。下表列出了这些元件的型号选择。要防止正常操作时的放电管相应，线路电压可有+10%的容差，放电管可有-20%的容差。

2.基本保护电路图

图11

图12

1）保护电路：基本电路描绘了气体放电管应用于通信领域线路保护的标准结构。三端保护解决方案仅包含气体放电管，而五端保护则需另加限流元件，如PTC（正温度系数）热敏电阻。

图13 电话/传真/调制解调器保护

2）电话/传真/调制解调器保护

电话、传真机和调制解调器配备精密但是敏感的电子装置。典型的气体放电管保护电路图如图17所示。这些放电管可防止共模干扰电压，即同时出现在两条接地线上的浪涌电压。如果出现过压情况，放电管将浪涌电流向地导通从而保护两条交换机线路。

图14 信号线保护

3）信号线保护

路通常没有接地导体。位于两条信号线之间的一个二极放电管电路可以在受保护设备输入端在破坏发生之前阻止大电位差的形成。该电路提供差模保护。

图15a 以太网接口保护

图15b 以太网接口保护

4）以太网接口保护

由雷电或线路电源故障导致的电信系统冲击电压，可能会损坏敏感的电子电路。

应用于设备接口内部的保护元件可以避免这种损坏。爱普科斯、君耀提供了专为数据保护接口而设计的二极和三极气体放电管。这种放电管的突出特点是微型SMD（表面贴装型）外壳、高通流能力、高绝缘电阻以及较低的电容量。典型应用是路由器和交换机、接线板、调制解调器、PC和笔记本电脑、机顶盒、IP电视、CCTV（闭路电视监控系统），WLAN-AP的以太网接口。

图16 数据线保护 (RS485)

5)数据线保护 (RS485)

RS485接口广泛应用于计算机、电信和自动化系统中的串行数据传输。在接收机处，数据信号通过两个信号电平之间的差值来确定，从而减少共模干扰对数据传输的影响。典型的冲击电压保护电路，包括带气体放电管的一次侧和带多层压敏电阻(MLV)的二次侧。

图17电缆TV/同轴电缆保护

6）电缆TV/同轴电缆保护

气体放电管特别适用于有线电视网络中的同轴电缆保护。由于放电管具有很低的寄生电容（一般为0.5至1 pF），即使在高频状态都不会对系统造成干扰。放电管置于保护模块中并与导体和外包线连接。根据实际应用，外包线或者保护模块的外盒必须接地。

图18交流线路保护

7）交流线路保护

通信装置及有线电视放大器、CB传送器、家用娱乐系统、电脑以及类似设备都有可能接触到电网所感应的浪涌电压。结合使用气体放电管和压敏电阻可对上述情况实施有效保护。通过带有这两种保护元件的串联线路使相线和零线接地。

五、气体放电管在应用过程中存在的问题

1.时延脉冲及续流

从暂态过电压达到放电管的直流放电电压到其实际动作放电之间，存在一段时延。一般不单独使用放电管来保护电子设备，而在放电管后面再增加一些保护元件，以抑制这种时延脉冲。

气体放电管泄放过电流结束以后，被保护系统的工作电压能维持放电管电弧通道的存在，这种情况称为续流。续流的存在对放电管本身和被保护系统具有很大的危害性。

在气体放电管与熔断器配合使用时，熔断器的额定电流高于被保护系统的正常运行电流，其熔断电流小于放电管在电弧区的续流。这种方法会造成供电和信号传输的短时中断，对于要求不高的电子设备可以接受。

2.状态翻转及短路反射

放电管在开始放电时，由开路状态翻转为导通状态，翻转过程中，暂态电流的变化率 di/dt 很大。这种迅速变化的暂态电流在空间产生暂态电磁场向四周辐射能量，对附近的电源线和信号线产生干扰，或在周围的电气回路中产生感应电压。通常采取的抑制方法有屏蔽、减小耦合和滤波等。

放电管导通后，入射波被反射回去，使得后面的电子设备得到保护，但反射波电流产生的空间电磁场也会向周围辐射能量，需要加以抑制。

六、气体放电管的选用

1. 气体放电管的直流击穿电压的下限值必须高于线路的最大正常工作电压。据此原则可确定所选放电管的标称直流击穿电压值。常用的有 230V、470V 和 600V。

2.气体放电管的冲击放电电压值低于线路上的最高瞬间过电压。

3.气体放电管的标称放电电流不小于线路最大（8/20us）浪涌电流。一般根据线路可能串入的冲击电流强度来确定。常用的有 5KA、10KA 等规格。

4.室外设备选用 10KA 以上级，室内设备入口选用 10KA 以下级，设备终端处选用 5KA 以下级。

5.对于过压持续时间很长的保护应用，气体放电管必须配上适当失效保护机构。

6.优选表贴气体放电管。

7.优选通过 UL 认证的气体放电管。

8.表贴气体放电管优选君耀品牌，插装气体放电管优选泰科品牌。

9.必须选用符合 ISO14000/ISO18000 环保、节能要求的气体放电管，所含铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯（PBB）、多溴二苯醚（PBDE）等有毒有害物质的含量必须满足国家规定要求。

七、气体放电管使用注意事项

1 、气体放电管的使用温度范围如表 1 所示。

	不带失效保护机构	带失效保护机构
工作温度范围	-40°C 到 90°C	-20°C 到 65°C
储存温度范围	-40°C 到 90°C	-20°C 到 65°C

表 1 气体放电管使用温度范围

2、气体放电管的安装：带有失效保护机构的气体放电管安装到印刷电路板等时应该非常小心，向下压力太大可能导致短路簧片穿透薄绝缘套管或压破塑料薄片从而出现短路情况。

3、接地连线的长度应尽量短。

4、接地连线应具有足够的截面，以泄放暂态大电流。

5、气体放电管的过保持电压要尽可能高，以保证正常线路工作电压不会引起放电管的持续导通（即续流问题）。

6、因放电管存在续流情况，在有源系统中不单独并联使用，需配合限压型器件使用。

7、直流放电电压的选择。从不影响被保护系统正常运行的要求出发，希望放电管的直流放电电压选得高些；但直流放电电压高的管子，冲击放电电压也高。所以，气体放电管的直流放电电压应折衷选择。