气体放电管(读懂气体放电管和压敏电阻的性能及应用)

气体放电管
本文主要介绍气体放电管和压敏电阻的工作原理、特性及其重要参数,对它们各自的优缺点进行总结,并对两种器件进行比较。
针对这两种器件的优缺点,建议在实际的设计应用中根据电路的实际需求选择不同的保护器件,同时根据实际应用对这两种元器件进行串并联的组合使用,发挥各自的优点,克服各自的缺点,从而达到最佳的保护效果和最优的安全性能指标。
气体放电管
一、 气体放电管的工作原理及特性气体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(20~50V)。只有当电极间电压低于放电管的截至电压(约十几伏)或导通电流低于截至电流(约十几mA)时,气体放电管才能恢复截至状态,这就是气体放电管的续流遮断特性。可见,在直流电源电路中应用时,如果两线间电压超过15V,不可以在两线间直接应用放电管;在50Hz交流电源电路中使用时,交流电压有过零点,可以实现气体放电管的续流遮断。

气体放电管包括二极管和三极管,电压范围从75V-3500V,超过一百种规格。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级,起泄放雷电瞬态过电流和限制过电压作用。
二、气体放电管的几个重要参数1.直流击穿电压Vsdc:在放电管上施加100V/s的直流电压时的击穿电压值。这是放电管的标称电压亦称为“直流点火电压”,常用的有90V、150V、230V、350V、470V、600V、800V等几种,最高可坐到3000V、最低70V。其误差范围:一般为±20%,也有的为±15%。
2.脉冲(冲击)击穿电压Vsi:在放电管上施加1kV/μs的脉冲电压时的击穿电压值。因反应速度较慢,脉冲击穿电压要比直流击穿电压高得多。
3.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。这一参数总是在一定波形和一定通流次数下给出的,制造厂常给出在8/20μs波形(短波)下通流10次的冲击耐受电流,也有给出在10/1000μs波形(长波)下通流300次的冲击耐受电流。
4.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。当应用于一些交流供电线路或易于受到供电线路感应作用的通讯线路时,应注意放电管的工频耐受问题。经验表明,感应工频电流较小,一般不大于5A,但其持续时间却很长;供电线路上的过电流很大,可高达数百安培,但由于继电保护装置的动作,其持续时间却很短,一般不超过5s。
5. 绝缘电阻(IR):在Gas tube两端加上规定的电压,测试其电阻,通常数值都比较大(1GΩ)。
6. 电容(C):1MHz下气体放电管两极的电容,这个数值通常比较小(<10pF)。
三、气体放电管的优缺点1.优点:电流通容量大;寄生电容小;残压较低;
2.缺点:放电时延性较大,动作灵敏度不够,响应时间较慢,存在续流遮断问题,不能使用在电压高于15V的直流电路中。
压敏电阻
一、压敏电阻的工作原理及特性  压敏电阻是一种以ZnO为主要成份的金属氧化物半导体非线性的限压型保护器件。
压敏电阻的伏安特性是连续和和单调的,因此它不存在续流的遮断问题。
它的工作原理为压敏电阻的氧化锌和添加剂在一定的条件下”烧结”,电阻就会受电压的强烈影响,在电压超过特定值后,其电流随着电压的升高而急剧上升,上升的曲线是一个非线性指数。当在正常工作电压时,压敏电阻处于一种高阻值状态。当浪涌到来时,它处于通路状态,强大的电流流过自身泄入大地。

二、压敏电阻的几个重要参数1.压敏电压:压敏电压一般认为是在温度为20度时在压敏电阻上有1mA电流流过的时候,相应加在该电阻两端的电压。
 
2.漏电流:漏电流是指在正常情况下通过压敏电阻微安数量级的电流。漏电流越小越好。
 
3.响应时间:此参数没有标准化的定义,一般是指冲击信号上升沿与压敏电阻导通电流上升沿之间的时间差。对于压敏材料本身,响应时间是ns级的,但对于器件成品,封装会带来串联和并联的寄生参数,响应时间与封装类型密切相关。通常引线结构的压敏电阻的响应时间是小于25ns,而小尺寸片式压敏电阻(比如0402)的响应时间小于1ns。
4.寄生电容:在1KHz信号下测试出的电容值。由于ZnO是一种陶瓷电介质,压敏电阻一般都有较大的寄生电容,它的寄生电容一般在几百pF到几千pF之间,由于寄生电容在高频信号中阻抗比较低,造成信号被旁路衰减因而它不利于对高频电子线路的保护。
三、压敏电阻的优缺点1. 优点:响应时间快、无续流、残压较低;
2. 缺点:泄漏电流比气体放电管大;寄生电容较大,不利于对高频电子线路的保护。
气体放电管与压敏电阻的组合使用1.气体放电管和压敏电阻的比较。这两种元器件均属于非线性元器件,均可用于电压浪涌冲击比较敏感的电子电路中,和被保护电路并联使用做瞬态过压做防护,但是它们各有各的优缺点,如下表一所示。
表一:气体放电管与压敏电阻的比较
2. 气体放电管和压敏电阻在电路中组合应用。
2.1 两种器件的并联使用,如下图1所示。这样使用可以有效利用气体放电管的通流能力强和压敏电阻响应速度快的优点。当浪涌从左边端口进入电路时,压敏电阻先导通,较大的电流流过退耦电阻,在气体放电管两端形成较高电压,气体放电管导通,对浪涌电流进行分流,此后流过压敏电阻的电流不再增加,把残压控制在一定范围内,实现保护功能。此电路中退耦电阻的选择,根据电路参数需要可能是电阻、电感或PCB走线。

图1: 气体放电管和压敏电阻的并联使用
2.2  两种器件的串联使用,如下图2所示。
 当浪涌冲击时,气体放电管击穿,然后由压敏电阻限制浪涌电压,总的残压为两者之和,略有增大(几十伏);浪涌过去后,由于压敏电阻恢复截止状态,限制了导通电流,放电管可有效熄弧,恢复为正常工作状态;正常工作时气体放电管不导通,压敏电阻没有漏电流,可以大大延长其使用寿命;当压敏电阻短路失效后,因气体放电管保持开路,因而不易引起火灾。
选型时,压敏电阻的压敏电阻应选取线路最高工作电压1.5倍以上,确保浪涌过去后压敏电阻能恢复截止状态;由于气体放电管的通流能力比较大,压敏电阻的耐冲击电流需要与气体放电管匹配,必要时可以并联2个或多个压敏电阻。
此电路有一个缺点:由于气体放电管的响应速度比较慢,所以整个电路的响应速度是与气体放电管相近的,如果端口防护需要较快的响应速度,需要结合上一节的并联方式进行设计。
图2:气体放电管和压敏电阻的串联使用
综上所述,气体放电管和压敏电阻各有优缺点,在实际应用中应根据电路的实际需求选择不同的保护器件。同时也可以根据实际应用对这两种元器件进行串并联的组合使用,发挥各自的优点,克服各自的缺点,从而达到最佳的保护效果和最优的安全性能指标。

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