瞬變干擾吸收器件分析

ID:807588 · 發表于 2020-10-20 16:34

一、關于浪涌電流的解釋

  在使用器件對系統進行瞬變干擾抑制的時候，前提需要清楚使用的場合跟測試的規格標準。繼續上一次推送，先對《GB/T 17626.5 電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》進行分析，規范規定了不測試電壓等級、不同形狀的開路電壓及短路電流測試波形：

  對于連接到對稱通信線的端口，使用開路電壓波形為10/700μs（波前時間10μs，半峰時間700μs）的組合波發生器，這種發生器對應的短路電流波形為5/320μs。

  而對于連接到電源線和短距離信號互連線的端口，使用1.2/50μs的組合波發生器，這種發生器對應的短路電流波形為8/20μs。

  這兩種波形本身不矛盾，數值上的線性是由于發生器有效輸出阻抗固定為2×(1±10%)Ω，但二者的出現是相互對立的。測試時浪涌發生器輸出波形的判定取決于負載設備端口的輸入阻抗。當作為負載的被測設備端口呈現高阻抗（如端口沒有保護電路，或保護電路斷開或未開始工作）時，判定標準為規定的開路電壓波形；當作為負載的被測設備端口呈現低阻抗（如保護電路短路）時，判定標準為規定的短路電流波形。

二、關于氣體放電管

  壓敏電阻的峰值電流承受能力確實很大，但是相對其箝位效果比較差，箝位電壓會比較高；于此同時由于箝位吸收引起的發熱會使得其本身結構受損，浪涌沖擊次數的增加，其漏電流會增大。

  氣體放電管是雷擊浪涌抑制兩大類器件中“開關型器件”的代表。放電管本身的寄生電容較小，可看成低電容的對稱開關，當放電管兩端的電壓高于擊穿電壓，開關打開直接將浪涌能量泄放到地。

1、氣體放電管結構

氣體放電管（GDT）又稱陶瓷氣體放電管，由金屬電機與陶瓷管殼組成的密封氣體放電器件，有二極管與三級管，一般用于對地的過電壓保護。具體來講，它是采用金屬化陶瓷絕緣管殼及電焊接技術，將少量氣體（主要是稀有氣體氖、氬）封閉在內部。通過改變內部氣體壓力、電機涂層材料成分及電極間距，可以改變GDT的直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、工頻耐流能力及壽命等。

  氣體放電管工作過程可解釋為：A、當加在氣體放電管兩端電壓超過擊穿電壓時，放電管氣體被電離，放電管開始放電。放電管兩端的電壓迅速下降至輝光放電電壓，管內電流開始升高（70~150V，與管子性質有關，下同）。B、管內電流進一步增大，放電管內部稀有氣體進入放電狀態，此時管子兩端電壓很低（10~35V），這個狀態會保持一段時間。C、當流過GDT的電流降到維持放電狀態的電壓一下（10~100mA），放電停止，放電結束，恢復原來電壓值。

放電過程由于稀有氣體放電消耗能量很小，氣體放電管本身損耗能量很小，能量基本泄放到地。因為氣體放電需要一個過程，所以氣體放電管的相應時間比較長，一般幾百ns甚至μs。

2、特征參數

  氣體放電管的工作過程是：當電壓超過擊穿電壓時，氣體放電管放電，并將浪涌能量直接泄放到地，等管子電流低于放電電流時，結束放電。常作為選型考慮的有下面一些參數：

  1）直流擊穿電壓（DC spark-overvoltage）：系統工作在一個低上升率（測試波形dv/dt≤100V/s）電壓波形時測得的擊穿電壓，一般是一個電壓區間。代表了受保護系統可正常工作范圍。

  2）沖擊（或浪涌）擊穿電壓（Impulsespark-over voltage）：系統工作在一個高上升率（1kV/μs，或用100 V/μs 、5kV/μs）電壓波形時測得的擊穿電壓，一般是一個電壓區間，代表了一般防護時的擊穿電壓。

  3）標稱放電電流（使用壽命Service life）：

  ①通過50Hz交流電流的額定有效值，通常規定放電10次（每次放電時間1s）可通過最大電流有效值、單次（放電0.18s，連續9個周波）使用可通過最大電流有效值。

  ②8/20μs波形的額定放電電流，通常規定單次使用可通過最大放電電流值、放電10次可通過最大電流。

  4）絕緣電阻（Insulationresistance）：放電管未著火時，放電管的絕緣電阻值。一般對90V和150V的放電管測試用50V（DC）；其余規格的放電管測試電壓用100V（DC）。要求絕緣電阻為1~10GΩ。

  5）電容（Capacitance）：放電管電極間電容，一般在2~10pF。

3、使用注意事項

作為瞬變干擾抑制保護器件，氣體放電管選型同樣要保證接入電路可以對浪涌電壓進行箝位，又要保證不能影響電路正常工作過程。綜合來講有幾個點：

  1）受保護電子設備的正常工作電壓要保證低于氣體放電管的直流擊穿電壓最小值，且有一定余量。

  2）氣體放電管的吸收能力強，但是吸收速度很低（0.1~0.3μs），適合作為第一次對于浪涌大能量的初級吸收，或配合壓敏電阻一起使用。

  3）氣體放電管在浪涌過電壓過去之后，不能馬上熄弧，特別是當保護線路由低阻抗的電源供電時（如由50Hz交流電網供電），由于起弧后放電管也是低電阻，導致分壓均勻，熄弧不能馬上實現，實際流過電流可能超過限值很多倍。續流時間過長就容易出現過載而爆裂。對于直流電供電的高阻抗就沒有這個問題。故使用時應分析端口網絡的阻抗特性。

  4）焊接掰動引腳時，同樣應該注意先固定引腳，防止操作過程損傷GDT內部結構。

  5）電極引線長度對限壓同樣有很大影響。由于引線存在寄生電感以及電阻，瞬態大電流會引起瞬間高壓，不利于設備保護；PCB走線同樣也需要短而寬的走線，使得電路截面積盡可能大。

4、應用電路：

  1）單只使用：將線上的浪涌能量泄放到大地。一般線地之間使用單只氣體放電管，可使用兩只二極管或一只三極管，但實際上兩只二極管不如一只三極管好。首先，兩只氣體放電管的體積比單只三極管的電路體積更大。其次，兩只二極管結構特性無法完全一致，放電必定有先后，會出現瞬態差模過壓的現象；而三極管不論兩邊是否有差異，當其中一側開始放電，內部氣體電離產生的自由電子會迅速擴散并引起另一部分迅速放電，使得兩條線同時泄放能量。

注意：直接使用氣體放電管進行共模浪涌抑制的時候，應保證氣體放電管放電導通殘壓大于線間的壓差的1.7倍，保證氣體放電管在吸收浪涌后不會因為兩端電壓過高而導致續流。

  為了避免氣體放電管放電后電流持續，當線地之間電壓差值較大時，也可以在放電管上串聯壓敏電阻等器件限制續流。這樣做雖然使得兩條輸入線的浪涌抑制方式有異，但是可以使得浪涌過后流過氣體放電管電流小于放電管的維持電流，而非將氣體放電管直接串聯在高壓線與大地之間。

  2）與壓敏電阻配合使用：由于放電管存在殘留電壓，如果選擇殘留電壓較高的放電管（以滿足最高輸入電壓的1.7倍），放電管的點火擊穿電壓也會很高，這可能對一些要求保護電壓比較低的設備也起不到過壓保護作用，為此可以選用殘留電壓比較低的放電管與壓敏電阻串聯使用，這樣可以降低浪涌電壓的門檻，同時放電管對壓敏電阻也起到一定的保護作用（加到壓敏電阻兩端的電壓相對變小了）。

此外，由于壓敏電阻本身較大的寄生電容，導致它有較大的漏電流，而氣體放電管漏電流很小，使得系統幾乎沒有漏電流。沒有瞬變電壓時，GDT將MOV與系統隔開，使得支路漏電流極低。當過壓時，由于放電管發電的壓降很低，此時放電管放電，此時主要由壓敏電阻起作用。干擾過去后又恢復截止狀態將壓敏電阻與大地隔開。如果壓敏電阻在吸收浪涌能量過程出現短路失效，也可以通過氣體放電管隔開。

  另外，在通訊電路中，壓敏電阻必須要與放電管串聯起來使用，因為壓敏電阻的分布電容非常大（幾百PF到幾千pF），而放電管的分布電容非常小（只有幾pF），不會對信號造成短路。

  3）由于制造時的參數差異性，氣體放電管最好不要進行并聯使用。

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