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气体放电管在雷击浪涌防护中的应用

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发表于 2012-1-27 12:30:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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现在所有的出口欧盟的电子产品,都需要经过CE认证,其中需要满足符合要求IEC 61000-4-5的开路电压波形1.5/50us、10/700us、短路电流波形8/20us,依据不同产品测试不同严酷等级的浪涌测试,但是,随着现今不断恶劣的天气环境,以及现在不断精密的电子科技设备的集成度不断提高,对设备的雷击浪涌防护也有所提高,这里就雷击浪涌防护作简单概述。

1.浪涌电压的产生和抑制原理
在电子系统和网络线路上,经常会受到外界瞬时过电压干扰,这些干扰源主要包括:由于通断感性负载或启停大功率负载,线路故障等产生的操作过电压;由于雷电等自然现象引起的雷电浪涌。这种过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流),是一种瞬变干扰。浪涌电压会严重危害电子系统的安全工作。消除浪涌噪声干扰,防止浪涌危害一直是关系电子设备安全可靠运行的核心问题。为了避免浪涌电压损害电子设备,一般采用分流防御措施,即将浪涌电压在非常短的时间内与大地短接,使浪涌电流分流入地,达到削弱和消除过电压、过电流的目的,从而起到保护电子设备安全运行的作用。
2.浪涌电压抑制器件分类
浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类型。第一种类型为橇棒(crow bar)器件。其主要特点是器件击穿后的残压很低,因此不仅有利于浪涌电压的迅速泄放,而且也使功耗大大降低。另外该类型器件的漏电流小,器件极间电容量小,所以对线路影响很小。常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌保护器、硅双向对称开关(CSSPD)等。
另一种类型为箝位保护器,即保护器件在击穿后,其两端电压维持在击穿电压上不再上升,以箝位的方式起到保护作用。常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻(MOV),瞬态电压抑制器(TVS)等。
3.气体放电管的构造及基本原理
气体放电管采用陶瓷密闭封装,内部由两个或数个带间隙的金属电极,充以惰性气体(氩气或氖气)构成,基本外形如图1所示。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。
1_201102111148591phPJ.jpg
4.气体放电管与其它浪涌抑制器件参数比较
1)火花间隙(Arc chopping)
为两个形状象牛角的电极,彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时,间隙被击穿打火放电,由此将过电流释放入地。
优点:放电能力强,通流容量大(可做到100kA以上),漏电流小;
缺点:残压高(2~4kV),反应时间慢(≤100ns),有跟随电流(续流)。
2)金属氧化物压敏电阻(Metal oxide varistor)
该器件在一定温度下,导电性能随电压的增加而急剧增大。它是一种以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻。没有过压时呈高阻值状态,一旦过电压,立即将电压限制到一定值,其阻抗突变为低值。
优点:通流容量大,残压较低,反应时间较快(≤50ns),无跟随电流(续流);
缺点:漏电流较大,老化速度相对较快。
3)瞬态抑制二极管(Transient voltage suppressor)
亦称齐纳二极管,是一种专门用于抑制过电压的器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结,该PN结工作在雪崩状态时,具有较强的脉冲吸收能力。
优点:残压低,动作精度高,反应时间快(<1ns),无跟随电流(续流);
缺点:耐流能力差,通流容量小,一般只有几百安培。
4)气体放电管(Gas discharge tube)
气体放电管可以用于数据线、有线电视、交流电源、电话系统等方面进行浪涌保护,一般器件电压范围从75~10000V,耐冲击峰值电流20000A,可承受高达几千焦耳的放电。
优点:通流量容量大,绝缘电阻高,漏电流小;
缺点:残压较高,反应时间慢(≤100ns),动作电压精度较低,有跟随电流(续流)。
各种浪涌抑制器件的共同特点为器件在阈值电压以下都呈现高阻抗,一旦超过阈值电压,则阻抗便急剧下降,都对尖峰电压有一定的抑制作用。但各自都有缺点,因此根据具体的应用场合,一般采用上述器件中的一个或者几个的组合来组建相应的保护电路。各种浪涌抑制器件的参数对比见表1所列。
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5.气体放电管的主要参数
1)反应时间指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间,气体放电管反应时间一般在μs数量极。
2)功率容量指气体放电管所能承受及散发的最大能量,其定义为在固定的8×20μs电流波形下,所能承受及散发的电流。
3)电容量指在特定的1MHz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,一般为≤1pF。
4)直流击穿电压当外施电压以500V/s的速率上升,放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压,其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。
5)温度范围其工作温度范围一般在-55℃~+125℃之间。
6)电流—电压特性曲线以美国克来电子公司CG2-230L气体放电管为例,如图2所示。
7)绝缘电阻是指在外施50或100V直流电压时测量的气体放电管电阻,一般>1010Ω。
1_2011021111485937meE.jpg
6.气体放电管的应用示例
1)电话机/传真机等各类通讯设备防雷应用
如图3所示。特点为低电流量,高持续电源,无漏电流,高可靠性。
2)气体放电管和压敏电阻组合构成的抑制电路
图4是气体放电管和压敏电阻组合构成的浪涌抑制电路。由于压敏电阻有一致命缺点:具有不稳定的漏电流,性能较差的压敏电阻使用一段时间后,因漏电流变大可能会发热自爆。为解决这一问题在压敏电阻之间串入气体放电管。但这又带来了缺点就是反应时间为各器件的反应时间之和。例如压敏电阻的反应时间为25ns,气体放电管的反应时间为100ns,则图4的R2,G,R3的反应时间为150ns,为改善反应时间加入R1压敏电阻,这样可使反应时间为25ns。
3)气体放电管在综合浪涌保护系统中的应用
自动控制系统所需的浪涌保护系统一般由二级或三级组成,利用各种浪涌抑制器件的特点,可以实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端,做为一级浪涌保护器件,承受大的浪涌电流。二级保护器件采用压敏电阻,在μs级时间范围内更快地响应。对于高灵敏的电子电路,可采用三级保护器件TVS,在ps级时间范围内对浪涌电压产生响应。如图5所示。当雷电等浪涌到来时,TVS首先起动,会把瞬间过电压精确控制在一定的水平;如果浪涌电流大,则压敏电阻起动,并泄放一定的浪涌电流;两端的电压会有所提高,直至推动前级气体放电管的放电,把大电流泄放到地。
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7.结语
各种电子系统,以及通信网络等,经常会受到外来的电磁干扰,这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。针对这些问题,要做好全面的预防保护措施,就需要先找到问题的根源,再选用合适的浪涌抑制器件予以解决。

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