雷击浪涌防护指南——陶瓷气体放电管原理及应用

时间： 2023-10-27 来源：CREATEKMicroelectronics公众号

技术问答

气体放电管因其具有较大的通流量，较小的极间电容，较长的寿命等优点，在浪涌防护中被广泛使用，一般作为保护电路的第一级防护器件。放电管的结构比较简单，它是有两个金属化的瓷管通过银铜焊料把两只电极焊成一个密封的系统。在密封系统中充有惰性气体，在金属化瓷管的内壁设有石墨触发导电带，在两只电极的表面涂有冷阴极发射材料（电子粉）。

气体放电管的工作原理涉及到气体放电理论，当外加电压超过气体放电管的最大耐压值，两级间隙间的气体因高压作用被电离，放电管被击穿，由原来的高绝缘电阻状态转化成低阻值导通状态，将大电流导入大地，在表现结果上跟压敏很类似，都是从高阻态变成低阻态，然后泄放浪涌电流。将两极间的电压钳位在一个预定值，保护后端设备。陶瓷气体放电管的电性能主要取决于电极间的气体介质，比如气体的种类、湿度、污染状况等。为了达到特定的电气参数，设计必须控制两个电极之间的距离和充气压力。

有关气体放电管的原理性介绍由于过于庞大，我们就不做过多的介绍，有兴趣可以查阅相关资料。
VI特性曲线：

由于整个放电过程较为复杂，我们只需要知道气体放电并不服从欧姆定律就可以了。根据形成电流的原因不同，以及导电特性的不同，放电分成了很多不同的类型。在C点以后，气体放电管被点燃，加速放电的过程。
电气参数：

我们以一款CREATEK的1812封装的陶瓷气体放电管CG2R090L-1812为例，讲解一下它的基本参数，首先第一列是型号，由于90V放电管的击穿误差是控制在±30%之间的，所以最低直流击穿电压在63V，最高在117V。这是一个范围，每一个放电管的击穿在这个范围内，就是合格的；接下来是通流量，8/20us 1500A，意思是在8/20us单波下测试，可以通过1500A浪涌电流；后面依次是在10/700us下能通过6KV电压测试；在1KV/us的上升速率中，击穿电压是小于等于700V的；在直流100V中测得阻抗最小1G欧姆；以及电容量最大是1pF。以上差不多就是气体放电管的全部参数，我们是以Createk的规格为例，不同家的放电管会有一些差异，但是总体来说大差不差。

应用
举例：客户供电AC220V，要求过浪涌2000V，浪涌波形是1.2/50us组合波，输入是L、N两线制，想使用GDT问如何选型？与上一节压敏的题目是一样的，但是因为压敏有老化的风险，漏流会增加，由于气体放电管绝缘效果好，所以一般会串联一个气体放电管。

基于上一篇讲压敏的文章，这里大家就知道，要选择10D471K，或者选择07D471KJ。如何选择电压的方式请参考压敏电阻那一章。这里选择GDT的方式和选择压敏的一样，确定电压、通流量即可。GDT的使用方法呢，就是和压敏串联，相当于在L、N线之间加入一个压敏和GDT，它们是以串联的形式连接。所以通流量选择大于1000A的即可。

关于电压这里我有想说的一点，有聪明的小伙伴，可能觉得只要两线之间的击穿加起来大于AC200V即可，所以可以选择一个低压的GDT+高压的压敏，或者选择高压的GDT+低压的压敏，但是实际上是不对的，因为压敏的绝缘阻抗远低于GDT，这会导致大部分电压会加载在GDT上，所以如果选择低压的GDT那么会导致GDT不断的导通随后截止因为电压是工频的，现象就是GDT在闪动，那如果GDT是高压，压敏是低压，当GDT导通之后，正常工作时的电流如果大于1A，那GDT就不会自动关断，这个时候，GDT还是低阻的状态，所有的电压都会加载在低压的MOV上，压敏就会一直导通从而损坏。

如果不愿意看上面长篇的推论，接下来我们之间说结论，压敏选择用10D471K，GDT应该选用600V的。至于通流量可以参考1812封装的。

以上部分是有关陶瓷气体放电管的一些介绍，提供一些相关的文献大家可以参考。

1、周卫娟. 放电管性能的研究与改善
2、王石成. 气体放电管中残留电荷对残压的影响

3、黄和官. 浅析气体放电管技术指标

4、李建龙. 气体放电管的浪涌冲击特性研究
5、马子龙. 多次冲击对信号电涌保护器GDT与TVS配合影响研究

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