放电管介绍及选型(详解)

放电管特性及选用

吴清海

放电管的分类

放电管主要分为气体放电管和半导体放电管，其中气体放电管由烧结的材料不同分为玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管，玻璃气体放电管和陶瓷气体放电管具有相同的特性。

气体放电管主要有密封的惰性气体组成，由金属引线引出，用陶瓷或是玻璃进行烧结。其工作原理为，当加在气体放电管两端的电压达到气体电离电压时，气体放电管由非自持放电过度到自持放电，放电管呈低阻导通状态，可以瞬间通过较大的电流，气体放电管击穿后的维持电压可以低到30V以内。气体放电管同流量大，但动作电压较难控制。

半导体放电管由故态的四层可控硅结构组成，当浪涌电压超过半导体放电管的转折电压V BO时放电管开始动作，当放电管动作后在返送装置，的作用下放电管两端的电压维持在很低（约20V以下）时就可以维持其在低阻高通状态，起到吸收浪涌保护后级设备的作用。半导体放电管的保护机理和应用方式和气体放电管相同。半导体放电管动作电压控制精确，通流量较小。

放电管动作后只需要很低的电压即可维持其低阻状态，所以放电管属于开关型的SPD。当正常工作时放电管上的漏电流可忽略不计；击穿后的稳定残压低，保护效果较好；耐流能力较大；在使用中应注意放电管的续流作用遮断，在适当场合中应有有效的续流遮断装置。

气体放电管

气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成；其电气性能主要取决于气体压力，气体种类，电极距离和电极材料；一般密封在放电管中的气体为高纯度的惰性气体。放电管主要由：电极、陶瓷管(玻璃管)、导电带、电子粉、Ag-Cu 焊片和惰性气体组成。

在放电管的两电极上施加电压时，由于电场作用，管内初始电子在电场作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，一旦电子达到一定能量时，它与气体分子碰撞时发生电离，即中性气体分子分离成电子和阳离子，电离出来的电子与初始电子在行进过程中还要不断地再次与气体分子碰撞发生电离，从而电子数按几何级数增加，即发生电子雪崩现象，另外，电离出来的阳离子也在电场作用下向阴极运动，与阴极表面发生碰撞，产生二次电子，二次电子也参加电离作用，一旦满足： r(ead-1)=1 时放电管由非自持放电过渡到自持放电，管内气体被击

穿，放电管放电，此时放电电压称为击穿电压Vs。其中，r表示一个正离子轰击阴极表面而使阴极表面逸出的电子数，d为极间距离，a为电子的有效电离系数。放电管放电后，管子从绝缘态变为导体，管内产生电流，随着电流的增加，放电管由辉光放电变为弧光放电，而此时管压降远远小于Vs,而且其值不随电流的变化而变化，此时放电管两端只要保持很低的电压即可维持其自持放电状态，显现一种稳态，从而达到吸收过压浪涌的作用。

当充气压力与极间距离的乘积为定值时，放电管有一最小击穿电压Vsm,它仅与阴极表面及气体种类有关，其值如下：

Vsm=Vi+(1/am)Log(1/r)

其中 Vi为气体的电离电位；am为在最小击穿电压下的有效电离系数；r为正离子打到阴极上产生的二次电子数。

放电管在机械结构一定的情况下，阴极发射材料和充入气体的成分及压力，是其特性是否一致性的决定性因素。

阴极发射材料是气体放电管的关键，我们一般要求它发射效率高，耐离子轰击能力强，溅射小，它的配方及处理工艺，不但对直流击穿电压有影响，也直接影响到放电管的其他各参数。阴极发射材料涂复在电极两端，它有利于电子的发射，特别有利于初始电子的产生，由于不同的阴极材料具有不同的逸出功，因此，在其他条件相同的情况下，不同的阴极材料，其击穿电压是不同的，逸出功低，击穿电压低，逸出功高，击穿电压也高。要求击穿电压稳定，就必须要求阴极材料具有稳定的逸出功。

气体放电管中填充的气体是影响放电管特性的另一主要因素，在制备过程中由于极限真空的影响，在放电管的填充气体中存在有其他杂质，在制作中应提高排气系统的极限真空度，电极材料要真空除气，采用高纯度的惰性气体，并保持气体压力的一致性。

半导体放电管

半导体放电管和气体放电管具有相同的外在特性和保护机理。半导体过压保护的工作原理为：浪涌电压超过其转折电压V BO时放电管动作，起到旁路的作用，其中半导体放电管有一个返送装置，就像一个可自动切换的开关，其电流-电压(I-V)特性曲线如图1中所示；

图1 半导体放电管工作原理

图中I PP(非重复峰值脉冲电流)：施加时不会损坏装置的特定波幅和波形的峰值脉冲电流的额定最大值；

I T (导通电流)：在导通条件下通过装置的电流；

V T (导通电压)：在特定电流I T的导通条件下跨过装置的电压；

I H (保持电流)：将装置维持在导通状态所需的最小电流

I BO (转折电流)：在转折电压V BO处的瞬态电流；

V BO(转折电压)：当浪涌电压超过反向击穿电压V BR，即将返送时跨过装置的最大电压，此值是在特定的电压增长率和电流增长率下测量的；

V D (闭态电压)：装置处在断开状态时两端的DC电压；

I D (泄漏电流)：装置处在断开状态时流过的极小的电流。

半导体放电管返送装置在电压低于转折电压V BO时通常处于高阻状态。在这个状态之前，流过装置的泄漏电流ID非常小，当电压超过V BO时，装置立刻返送而进入低阻状态，此时，跨过装置两端的电压为导通电压 V T（约为5伏），流过装置的电流为导通电流I T，放电管保持在低阻状态，直至通过装置的电流降至低于其保持电流I H。

放电管的应用

气体放电管和半导体放电管压敏电阻TVS二极管的特性比较如下表：

半导体放电管气体放电管压敏电阻TVS二极管保护方式负阻负阻箝位箝位

原理固态四层可控硅结构气体电离导电类似雪崩二极管的混合

体

雪崩二极管

响应时间< 1ns> 1μs<1μs< 1ns

电容50PF1PF500PF50PF

最大瞬间电流(8/200)μs3000A20,000A6500A50A

最大漏电流10μA1PA10μA20μS

重复使用可靠性无限重复使用可能蜕化可能蜕化可能损坏

主要优点精确导通、无限重复使

用、快速响应

瞬间电流最大价廉低电压使用、价廉

主要缺点瞬间电流较小响应时间缓慢电容大、会蜕化瞬间电流最小放电管主要应用在对电压浪涌冲击比较敏感的电子电路中，和保护电路并联使用，当有电压浪涌发生时，放电管动作，放电管动作后的低阻起到旁路和保护后级电子电路的作用，应用电路图如图2。

图2 放电管应用电路

因放电管属于开关型SPD，当放电管动作以后只需要极低的电压即可保持导通的状态，存在有浪涌后的续流问题。所以在放电管在防浪涌应用中须有可靠的续流遮断器，保证浪涌过后电路能正常工作。

气体放电管在浪涌保护应用中大多和压敏电阻串联共同使用，起到响应速度快，通流量大的作用，同时压敏电阻起到浪涌过后的续流遮断的作用。

放电管在选用时候主要考虑到的参数有：放电管的动作电压，放电管的最大承受8/20 us 浪涌电流；还有就是元器件的安装和尺寸。

气体放电管和半导体放电管在外在特性参数相同时可以直接互换使用。