摘要
阐述了浪涌电压产生的机理,介绍了气体放电管的工作原理、特性参数和在浪涌抑制电路中的应用。
关键词
浪涌电压抑制;气体放电管;
应用
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。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 。
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100 kA以上),漏电流小;
缺点: 残压高(2~4 kV),反应时间慢( ≤100 ns), 有跟随电流(续流)。
2) 金属氧化物压敏电阻(Metal oxside 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(≤ 50 ns),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(< 1 ns),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 20 000 A,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(≤100 ns),动作电压精度较低,有跟随电(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。
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 μ s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8×20μ s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,
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 。
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: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: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。
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μ s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。
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。
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。 |