气体放电管

sheng

气体放电管简介

气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。放电管保护特性的不足之处在于其放电时延较大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制。为了改善放电管的保护特性，先进的制造工艺正应用于放电管新型产品的开发中，随着保护特性的不断改善，放电管在电子设备与电子系统防雷保护应用中的适应性正在增强。
第一节        结构简介
放电管的工作原理是气体放电。当放电管两级之间施加一定压力时，便在极间产生不均匀电场，在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平，这种残压一般很低，从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。
早期的放电管是以玻璃作为管子的封装外壳，现已改用陶瓷作为封装外壳，放电管内充入电器性能稳定的惰性气体（如氩气和氖气等），放电电极一般为两个、三个或五个，电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极和五极放电管。图1给出了一个陶瓷二极放电管的结构示意图，它由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂敷有放射性氧化物，管内内壁也涂敷有放射性元素，用于改善放电特性。放电电极主要有针形和杯形两种结构，在针形电极的放电管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂敷放射性氧化物，以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网，杯内装有铯元素，其作用也是减小放电分散性。图－2给出了一个三极放电管的结构示意图，它也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。与二极放电管不同，在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三电极，即接地电极。五极放电管的主要部件与二、三极放电管基本相同，它具有较好的放电对称性，可适合于多线路的保护。

第二节        伏安特性
气体放电管的伏安特性通常与管子的哪些电极间施加什么极性的电压没有关系。现以一个直流放电电压为150V的二极放电管为例，（其伏安特性如图3所示），来说明放电管伏安特性的基本特征。图3是按电子元件伏安特性的惯用画法，即以电压为自便量，画作横坐标；以电流为应变量，画作纵坐标。由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。
在图3所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在A点放电，A点的电压称为放电管的直流放电电压。在A到B之间的这段伏安特性上，其斜率（即动态电阻du/di）是负的，称为负阻区。如果200V的直流电压源经1MΩ的电阻加到放电管上，放电管即工作在此区间，这时的放电具有闪变特征。BC段为正常辉光放电区，在此区间内电压基本不随电流而变，当辉光覆盖整个阴极表面时，电流再增加，电压也不增加。CD段称为异常辉光放电区。直流放电电压为90V~300V放电管，其辉光放电区BD的最大电流一般在0.2A～1.5A之间。当电流增加到足够大时放电E点突然进入电弧放电区，即使是同一个放电管，放电由辉光转入电弧时的电流值也是不能精确重复的。在电弧放电时，处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面，阴极材料被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使间隙距离增加，管壁绝缘变坏。在采用合适的材料后，放电管可以做到导通10KA、8/20μs电流数百次。在电弧区，放电管两端的电压基本上与通过的电流无关，在管内充以不同的惰性气体并具有不同的电压电弧压降常在10V～30V。管子工作在电弧区就可以将电压箝制在较低的水平，从而达到过电压保护的目的。当电流下降到比开始燃弧（E点）的数值低的电弧熄灭电流值（F点）时，放电由电弧转为辉光，电弧熄灭电流通常在0.1A～0.5A。

suiwinder

谢谢，长见识了。非常感谢。

sheng

气体放电管
2006/10/17 19:51
        放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。
        优点：
               绝缘电阻很大，寄生电容很小，
        缺点：
               在于放电时延(即响应时间)较大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制  。
       1  结构简介
          放电管的工作原理是气体放电。
          当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时，两极间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平 。
         五极放电管的主要部件和两极、三极放电管基本相同，有较好的放电对称性，可适用于多线路的保护。（常用于通信线路的保护）

        两极放电管的放电分散性比较大，在使用两极放电管时，可能将共模过电压转变为差模过电压，详见本章第四节的分析。
       系统中加在放电管两端的系统正常运行电压应低于维持放电的电压，否则会产生续流问题。
       维持辉光放电的电压值比维持弧光放电的电压值要大。
       维持管子放电的电压值的测量方法。不同品种的放电管，其维持放电电压值的差异是比较大的。
       一般在实际应用中，在辉光放电区不容易产生续流，在电弧区可能产生续流（因为要维持电弧区的续流所需要的电压值比维持辉光放电的电压值要小），这时候就要采取限流措施（如可以使用正温度系数的电阻，熔断器，与压敏电阻串联使用）。

    3 响应时间
       从暂态过电压开始作用于放电管两端的时刻到管子实际放电时刻之间有一个延迟时间，该时间就称为响应时间。
      响应时间的组成：一是管子中随机产生初始电子-离子对带电粒子所需要的时间，即统计时延；二是初始带电粒子形成电子崩所需要的时间，即形成时延。

    为了测得放电管的响应时间，需要用固定波头上升陡度du/dt的电压源加到放电管两端测取响应时间，取多次测量的平均值作为该管子的响应时间。

      4  限压电路
          二极和三极放电管保护性能的比较

         如果A-G极间先放电，在管子内部由气体游离所产生的自由电子会迅速在B-G极间引起碰撞游离，使B-G很快放电
        当B-G间截止放电后，由于大量带电粒子（电子和离子）的复合作用，使管内的电子数量大为减小，从而迅速抑制另一对电极A-G间的碰撞游离，使该对极间的放电过程很快截止下来。

       在差模暂态过电压的保护场合，无论是两极放电管还是三极放电管，都存在着一定的问题，因为电子设备要承受两对电极之间的残压之和，对于一些脆弱的电子设备来说，这样的残压之和有时候难以承受。需要采取另外的措施，如在A、B间再接一只放电管，专门用于抑制差模过电压。

      接地连接线的长短对限压效果有一定的影响。如果接地连接线比较长，则连线本身的电阻和电感也比较大，暂态大电流流过连线时，将产生比较大的电阻电压降和电感电压降。
     结论：   
            接地连线应当具有尽量短的长度；
            接地连线应具有足够的截面，以泄放暂态大电流。
     放电管的失效模式
            放电管受到机械碰撞，超耐受的暂态过电压多次冲击以及内部出现老化后，将发生故障。

     故障的模式（即失效模式）有两种：

           第一种是呈现低放电电压和低绝缘电阻状态；第二种是呈现高放电电压状态。

          开路故障模式比短路故障模式具有更大的危害性：
          开路故障模式令人难以及时察觉，从而不能采取补救措施。
          现在的电源SPD产品中，带有失效报警装置，如声，光报警，颜色变化提示等，这些措施的采取对于及时发现和更换已经失效的SPD是有利的。


         5 放电管保护应用中存在的问题
           一、时延脉冲及续流
                 从暂态过电压达到放电管的ufdc（直流放电电压）到其实际动作放电之间，存在一段时延   ，  的大小取决于过电压波的波头上升陡度du/dt。  
                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。

              续流：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。

               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。


       二、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，在附近的电源线和信号线上产生干扰，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。


         6  主要技术参数及使用选择
             一、常用技术参数
             1、直流放电电压
                  在上升陡度低于100V/s的电压作用下，放电管开始放电的平均电压值称为其直流放电电压。由于放电的分散性，所以，直流放电电压是一个数值范围。

              2、冲击放电电压
                   在具有规定上升陡度的暂态电压脉冲作用下，放电管开始放电的电压值称为其冲击放电电压。
                  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 。

             3、工频耐受电流
                  放电管通过工频电流5次，使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流。

             4、冲击耐受电流
                 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值电流峰值称为管子的冲击耐受电流。
                  这一参数是在一定波形和一定通流次数下给出的，制造厂通常给出在8/20us波形下通流10次的冲击耐受电流，也有给出在10/1000us波形下通流300次的冲击耐受电流。

            5、绝缘电阻和极间电容
                  放电管的绝缘电阻值很大，厂家一般给出的是绝缘电阻的初始值，约为数千兆欧。绝缘电阻值的降低会导致漏流的增大，有可能产生噪音干扰。
                放电管的寄生电容很小，极间电容一般在1pF～5pF范围，极间电容在很宽的频率范围内保持近似不变，同型号放电管的极间电容值分散性很小。

            二、使用选择
                  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；
     从被保护电子设备的耐受性来说看，希望管子的直流放电电压选得低一些。
     所以，放电管的支流放电电压应在这两种相互制约的要求之间进行折衷选择。