(完整版)放電管介紹及選型(詳解)

放電管特性及選用吳清海放電管的分類放電管主要分為氣體放電管和半導(dǎo)體放電管，其中氣體放電管由燒結(jié)的材料不同分為玻璃氣體放電管和陶瓷氣體放電管，玻璃氣體放電管和陶瓷氣體放電管具有相同的特性。氣體放電管主要有密封的惰性氣體組成，由金屬引線引出，用陶瓷或是玻璃進行燒結(jié)。其工作原理為，當(dāng)加在氣體放電管兩端的電壓達到氣體電離電壓時，氣體放電管由非自持放電過度到自持放電，放電管呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)，可以瞬間通過較大的電流，氣體放電管擊穿后的維持電壓可以低到30V以內(nèi)。氣體放電管同流量大，但動作電壓較難控制。半導(dǎo)體放電管由故態(tài)的四層可控硅結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)浪涌電壓超過半導(dǎo)體放電管的轉(zhuǎn)折電壓VBO時放電管開始動作，當(dāng)放電管動作后在返送裝置，的作用下放電管兩端的電壓維持在很低（約20V以下）時就可以維持其在低阻高通狀態(tài)，起到吸收浪涌保護后級設(shè)備的作用。半導(dǎo)體放電管的保護機理和應(yīng)用方式和氣體放電管相同。半導(dǎo)體放電管動作電壓控制精確，通流量較小。放電管動作后只需要很低的電壓即可維持其低阻狀態(tài)，所以放電管屬于開關(guān)型的SPD。當(dāng)正常工作時放電管上的漏電流可忽略不計；擊穿后的穩(wěn)定殘壓低，保護效果較好；耐流能力較大；在使用中應(yīng)注意放電管的續(xù)流作用遮斷，在適當(dāng)場合中應(yīng)有有效的續(xù)流遮斷裝置。氣體放電管氣體放電管：氣體放電管由封裝在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距離的兩個電極組成；其電氣性能主要取決于氣體壓力，氣體種類，電極距離和電極材料；一般密封在放電管中的氣體為高純度的惰性氣體。放電管主要由：電極、陶瓷管(玻璃管)、導(dǎo)電帶、電子粉、Ag-Cu焊片和惰性氣體組成。在放電管的兩電極上施加電壓時，由于電場作用，管內(nèi)初始電子在電場作用下加速運動，與氣體分子發(fā)生碰撞，一旦電子達到一定能量時，它與氣體分子碰撞時發(fā)生電離，即中性氣體分子分離成電子和陽離子，電離出來的電子與初始電子在行進過程中還要不斷地再次與氣體分子碰撞發(fā)生電離，從而電子數(shù)按幾何級數(shù)增加，即發(fā)生電子雪崩現(xiàn)象，另外，電離出來的陽離子也在電場作用下向陰極運動，與陰極表面發(fā)生碰撞，產(chǎn)生二次電子，二次電子也參加電離作用，一旦滿足：r(ead-1)=1時放電管由非自持放電過渡到自持放電，管內(nèi)氣體被擊穿，放電管放電，此時放電電壓稱為擊穿電壓Vs。其中，r表示一個正離子轟擊陰極表面而使陰極表面逸出的電子數(shù)，d為極間距離，a為電子的有效電離系數(shù)。放電管放電后，管子從絕緣態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體，管內(nèi)產(chǎn)生電流，隨著電流的增加，放電管由輝光放電變?yōu)榛」夥烹?，而此時管壓降遠遠小于Vs,而且其值不隨電流的變化而變化，此時放電管兩端只要保持很低的電壓即可維持其自持放電狀態(tài)，顯現(xiàn)一種穩(wěn)態(tài)，從而達到吸收過壓浪涌的作用。當(dāng)充氣壓力與極間距離的乘積為定值時，放電管有一最小擊穿電壓Vsm,它僅與陰極表面及氣體種類有關(guān)，其值如下：Vsm=Vi+(1/am)Log(1/r)其中Vi為氣體的電離電位；am為在最小擊穿電壓下的有效電離系數(shù)；r為正離子打到陰極上產(chǎn)生的二次電子數(shù)。放電管在機械結(jié)構(gòu)一定的情況下，陰極發(fā)射材料和充入氣體的成分及壓力，是其特性是否一致性的決定性因素。陰極發(fā)射材料是氣體放電管的關(guān)鍵，我們一般要求它發(fā)射效率高，耐離子轟擊能力強，濺射小，它的配方及處理工藝，不但對直流擊穿電壓有影響，也直接影響到放電管的其他各參數(shù)。陰極發(fā)射材料涂復(fù)在電極兩端，它有利于電子的發(fā)射，特別有利于初始電子的產(chǎn)生，由于不同的陰極材料具有不同的逸出功，因此，在其他條件相同的情況下，不同的陰極材料，其擊穿電壓是不同的，逸出功低，擊穿電壓低，逸出功高，擊穿電壓也高。要求擊穿電壓穩(wěn)定，就必須要求陰極材料具有穩(wěn)定的逸出功。氣體放電管中填充的氣體是影響放電管特性的另一主要因素，在制備過程中由于極限真空的影響，在放電管的填充氣體中存在有其他雜質(zhì)，在制作中應(yīng)提高排氣系統(tǒng)的極限真空度，電極材料要真空除氣，采用高純度的惰性氣體，并保持氣體壓力的一致性。半導(dǎo)體放電管半導(dǎo)體放電管和氣體放電管具有相同的外在特性和保護機理。半導(dǎo)體過壓保護的工作原理為：浪涌電壓超過其轉(zhuǎn)折電壓VBO時放電管動作，起到旁路的作用，其中半導(dǎo)體放電管有一個返送裝置，就像一個可自動切換的開關(guān)，其電流-電壓(I-V)特性曲線如圖1中所示；圖1半導(dǎo)體放電管工作原理圖中IPP(非重復(fù)峰值脈沖電流)：施加時不會損壞裝置的特定波幅和波形的峰值脈沖電流的額定最大值；IT(導(dǎo)通電流)：在導(dǎo)通條件下通過裝置的電流；VT(導(dǎo)通電壓)：在特定電流IT的導(dǎo)通條件下跨過裝置的電壓；IH(保持電流)：將裝置維持在導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小電流IBO(轉(zhuǎn)折電流)：在轉(zhuǎn)折電壓VBO處的瞬態(tài)電流；VBO(轉(zhuǎn)折電壓)：當(dāng)浪涌電壓超過反向擊穿電壓VBR，即將返送時跨過裝置的最大電壓，此值是在特定的電壓增長率和電流增長率下測量的；VD(閉態(tài)電壓)：裝置處在斷開狀態(tài)時兩端的DC電壓；ID(泄漏電流)：裝置處在斷開狀態(tài)時流過的極小的電流。半導(dǎo)體放電管返送裝置在電壓低于轉(zhuǎn)折電壓VBO時通常處于高阻狀態(tài)。在這個狀態(tài)之前，流過裝置的泄漏電流ID非常小，當(dāng)電壓超過VBO時，裝置立刻返送而進入低阻狀態(tài)，此時，跨過裝置兩端的電壓為導(dǎo)通電壓VT（約為5伏），流過裝置的電流為導(dǎo)通電流IT，放電管保持在低阻狀態(tài)，直至通過裝置的電流降至低于其保持電流IH。放電管的應(yīng)用氣體放電管和半導(dǎo)體放電管壓敏電阻TVS二極管的特性比較如下表：半導(dǎo)體放電管氣體放電管壓敏電阻箝位TVS二極管箝位保護方式原理負阻負阻固態(tài)四層可控氣體電離導(dǎo)電類似雪崩二極雪崩二極管硅結(jié)構(gòu)<1ns管的混合體<1μs響應(yīng)時間電容>1μs1PF<1ns50PF50PF500PF最大瞬間電流3000A20,000A1PA6500A50A(8/200)μs最大漏電流10μA10μA20μS重復(fù)使用可靠性無限重復(fù)使用可能蛻化精確導(dǎo)通、無可能蛻化可能損壞低電壓使用、價廉主要優(yōu)點限重復(fù)使用、瞬間電流最大價廉快速響應(yīng)電化容大、會蛻瞬間電流最小主要缺點瞬間電流較小響應(yīng)時間緩慢放電管主要應(yīng)用在對電壓浪涌沖擊比較敏感的電子電路中，和保護電路并聯(lián)使用，當(dāng)有電壓浪涌發(fā)生時，放電管動作，放電管動作后的低阻起到旁路和保護后級電子電路的作用，應(yīng)用電路圖如圖2。圖2放電管應(yīng)用電路因放電管屬于開關(guān)型SPD，當(dāng)放電管動作以后只需要極低的電壓即可保持導(dǎo)通的狀態(tài)，存在有浪涌后的續(xù)流問題。所以在放電管在防浪涌應(yīng)用中須有可靠的續(xù)流遮斷器，保證浪涌過后電路能正常工作。氣體放電管在浪涌保護應(yīng)用中大