Articles & Blogs > 气体放电管：一种“古老”的保护元器件扩展了其多功能性

气体放电管：一种“古老”的保护元器件扩展了其多功能性

作者： Bill Schweber 2024-03-04

标签

电路保护就像保险：直到需要时才会知道它的好。电路保护分为两大类：过流保护（如保险丝）和过压保护（如使用金属氧化物压敏电阻 (MOV) 和气体放电管 (GDT) 电涌放电器等器件）（图 1）。

图 1：GDT 可单独用于过压保护，也可与其他过压和过流器件结合使用。（图片来源：Bourns, Inc.）

气体放电管 (GDT) 及其导电点的概念可能会让人联想到《科学怪人》电影中的画面：庞大而笨重的元器件和组件，正在放出剧烈的、非常耀眼的火花。然而，用于电路保护的 GDT 却非常小，而且双电极版本还可以轻松放置在需要保护的线路或导体（通常是交流电源线、I/O 端口或其他裸露导体）与系统地线之间。

这些 GDT 可将较高的过电压引入大地，提供近乎理想的功能。在正常工作条件下，器件内部的气体充当绝缘体，GDT 不会传导电流；GDT 是电路中最接近隐形的非理想元器件，未激活时阻抗高达几千兆欧，而寄生电容却仅为几 pF。

然而，当端子上的电压超过器件的冲击放电电压时，GDT 中的气体就会完全电离，不再充当绝缘体。而是在几分之一微秒内发生器件端子间的传导（图 2）。GDT 的撬棍效应不仅可有效地将过电压限制在较低水平，而且还能将相关电流或浪涌从下游元器件和电路中分流出去。

图 2：超出过电压限制时，GDT 气体会发生电离，器件会在不到一微秒的时间内从接近无穷大的阻抗变为高导电通路。（图片来源：Bourns, Inc.）

当浪涌事件消退、系统电压恢复到正常水平时，GDT 将恢复为高阻抗（关）状态。另一个好处是，GDT 与其他电压保护器件不同，它还具有非极性（双向）的特点，不会因反复发生冲击放电而磨损。

从本杰明·富兰克林和他的风筝实验（1752 年）开始，到汉弗莱·戴维使用火花电弧（19 世纪初），GDT 历经沧桑，其火花隙原理到现在也已过时，尽管如此，GDT 却仍然具有很强的生命力。GDT 不断演进，以满足当今电路和系统的需求。

空气中的冲击放电电压通常为 30 kV/cm。通过调整电极间距和其他因素，可以制造出闪络电压从 100 V 以下到 1000 V 的 GDT。

GDT 仍在不断改进

例如，Bourns, Inc. 的 GDT28H 系列下一代大电流 GDT 显著提高了对雷电和其他交流电源线干扰引起的电压瞬变的保护能力。该系列不仅保持了小巧的体积，而且其高额定浪涌电流还可以在发生电压突升事件期间提供更强的限压水平。

这些双电极高压气体放电管具有高绝缘电阻，直流冲击放电电压范围为 1 kV 至 3.3 kV，额定浪涌电流为 5 kA。与在电影中看到的剧烈火花隙不同，这些 GDT 是全封闭器件，所有系列成员均采用 8 × 6 mm 通孔轴向引线圆柱形封装，电容低于 1.5 pF（图 3）。

图 3：双电极 GDT 的原理图符号（左）表示 GDT28H 系列中的小型圆柱形封装器件。（图片来源：Bourns, Inc.）

目标应用包括电源、照明、HVAC 以及必须符合 IEC 62368-1:2018 标准的产品。这一广泛应用的安全标准适用于额定电压低于 600 V 的音频、视频、信息和通信技术以及商业和办公机器中的电气和电子设备。

通过 UL 认证的 GDT28H 系列特别适合在交流隔离情况下使用。该系列通过更宽的工作电压范围、高绝缘电阻和更高的额定浪涌实现这一性能。此外，GDT28H 系列还具有 -40°C 至 +125°C 的宽工作温度范围，非常适合恶劣条件下的应用。

其中一个系列成员是 GDT28H-200-A：一款 2000 ±400 V 的 GDT。与该系列的所有成员一样，其额定脉冲放电电流为 5 kA（标称 8/20 µs）。脉冲冲击放电电压在 100 V/µs 时为 2500 V（最大值），在 1 kV/µs 时为 2750 V。

对于需要评估这些 GDT 的设计人员，Bourns 还提供了 DK-GDT28H-01 设计套件。该套件包括 20 个来自该系列的 GDT，由典型冲击放电电压分别为 1000、1500、2500 和 3300 VDC 的 4 种器件组成，每种器件提供 5 个 GDT。

GDT 功能是工程师在不同和相互矛盾的应用中运用基本物理原理的典型范例。GDT 为全封闭式，用于将过电压撬到地面，而内燃机的火花塞则是利用裸露飞弧点燃发动机中的汽油空气混合物。

两者的不同之处在于：对于 GDT，火花由不可预知的过压事件产生，而对于火花塞功能，火花则是通过精确定时有意触发。

保护电路的元器件不受过压和过流事件影响对系统设计至关重要。GDT 可快速将瞬变分流到大地，从而防止过压到达、损坏或损毁下游元器件。Bourns 开发的这些器件采用符合所有相关法规标准的微型圆柱形封装，能够处理各种过电压和相关浪涌电流，使其实用性显著提高。