EMC調試工具（五）：氣體放電管
氣體放電管（GDT）是雷擊浪涌防護中應用非常廣泛的一種開關器件，是一種間隙型的防雷保護組件，無論是交直流電源的還是各種信號電路的防雷，都可以用它來將雷擊電流泄放流入大地。
圖1: 常用氣體放電管
01、氣體放電管（GDT）工作原理
氣體放電管（GDT）的工作原理是氣體間隙放電，當在放電管的兩極間施加一定的電壓，便在極間產生不均勻的電場，在電場作用下，氣體開始游離，當外電壓達到極間場強超過惰性氣體的絕緣強度時，兩電極之間的間隙擊穿產生電弧，氣體電離，產生"負阻特性"，從而由絕緣狀態轉為導電狀態，氣體放電管兩端電壓迅速下降，放電電流開始上升，兩電極導通，導通后氣體放電管兩極之間的電壓維持在放電電弧所決定的殘壓水平，殘壓通常很低，從而使得與放電管并聯的電子設備免受過壓損壞。
導通后，當外界流過氣體放電管的電流降低到維持電弧所需的最小電流值以下，電弧中斷而熄弧，氣體放電管恢復到阻斷狀態。
02、氣體放電管（GDT）基本結構
氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼，也有的用陶瓷作為封裝外殼，放電管內充入電氣穩定的惰性氣體（氖氣或氬氣），常用氣體放電管一般分為兩個、三個，電極之間用氣體隔開，按電極個數的設置來劃分，放電管可分為二極、三極放電管。
氣體放電管的內部結構如下圖所示，它主要由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構成。管內放電電極上涂覆有放射性氧化物，管體內壁也涂覆有放射性元素，用于改善放電特性。放電電極主要有桿形和杯形兩種結構，桿形電極的放電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個圓形熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻，不致出現局部過熱而引起管斷裂。
為保證氣體放電管能快速地將浪涌電壓限制在低電位，在陶瓷絕緣管內表面制作導電帶，通過作用電場來加速放電區域的電離，使氣體放電管具有快速響應特性和可恢復性。
圖2: 兩電極氣體放電管內部結構
圖3: 三電極氣體放電管內部結構
03、氣體放電管（GDT）主要電氣參數
圖4: 氣體放電管特性曲線
氣體放電管主要電氣參數包含：直流擊穿電壓（VS）、沖擊擊穿電壓、響應時間、絕緣電阻、極間電容、氣體放電續流能力(通容量)、續流遮斷時間等
直流擊穿電壓（DC Spark Over Voltage）
也稱直流火花放電電壓，是指施加緩慢升高的直流電壓時，氣體放電管火花放電時的電壓。由于放電具有分散性，圍繞著這個平均值還需要同時給出允許的偏差上限和下限值。是氣體放電管的標稱電壓，常用的規格有90V、150V、230V、350V、470V、600V、800V等，甚至更高規格，其誤差范圍：一般為±20%，也有的為±15%。
圖5: GDT直流擊穿電壓測試電路
氣體放電管的直流擊穿電壓是在不大于100V/S的上升速率下測量的。測量GDT的直流擊穿電壓時，采用上圖所示的電路進行測量，電壓上升率為100（1±10%）V/S。每種極性下，GDT的A極、C極之間的兩次測量都要記錄，兩次測量的時間間隔應不小于1S，對于三極GDT的每對端子分別測量，而另外的電極懸空。
脈沖擊穿電壓（Impulse Spark Over Voltage）
也稱最大沖擊火花放電電壓，是指施加規定上升率和極性的沖擊電壓后，在放電電流流過GDT之前，其兩端子間的電壓最大值。由于陶瓷氣體放電管的反應速度較慢，脈沖擊穿電壓要比直流擊穿電壓高得多。
圖6: GDT脈沖擊穿電壓測試電路
脈沖擊穿電壓一般在1000(1±10%)V/us的電壓上升率下測量該電壓值，測量GDT的脈沖擊穿電壓時，采用上圖所示的電路進行測量，電壓上升率為1000（1±10%）V/us。每種極性下，GDT的A極、C極之間的兩次測量都要記錄，兩次測量的時間間隔應不小于1S，對于三極GDT的每對端子分別測量，而另外的電極懸空。
標稱沖擊放電電流（Nominal Impulse Discharge Current）
標稱沖擊放電電流是指給定波形的沖擊電流峰值，一般為8/20us的脈沖電流波形，為GDT的額定值。標稱沖擊放電電流是衡量GDT脈沖電流耐受能力的一個參數，分為8/20us波和10/1000us波沖擊放電電流兩種，常用的是8/20us。
沖擊放電電流又分為單次沖擊放電電流（8/20us波沖擊1次）和標稱沖擊放電電流（10/1000us波沖擊10次），一般后者約為前者的一半左右。其測量采用下圖所示電路。
圖7: GDT沖擊放電電流測量電路
測量時，施加的沖擊電流數值大小根據GDT規格書確定，對于兩極的GDT，產生8/20us波形的試驗電路如上圖左圖所示，沖擊電流測量應有足夠長時間間隔不至于GDT內部發熱。對于三極GDT，每個電極應同時向公共電極放電如上圖左圖所示，各自標稱沖擊電流的規定值如規格書，完成規定的電流次數后，測量GDT直流擊穿電壓、脈沖擊穿電壓及絕緣阻抗應符合規格書所規定的值。
耐沖擊電流壽命（Impulse Life）
耐沖擊電流壽命是在指定電壓脈沖波形和指定（8/20us，200A或者10/1000us 100A）情況下，GDT耐沖擊的次數。該參數是衡量GDT耐受多次沖擊電流的能力，在一定程度上反映了GDT的穩定性及可靠性。
測量GDT的沖擊電流壽命試驗時，施加的沖擊電流大小按照GDT規格書所規定的值，規定試驗次數的一半用一種極性，另一半用相反的極性，沖擊的重復頻度應適當以防止GDT內部熱積累。電源的電壓應超過GDT的最大沖擊火花放電電壓至少50%以上，規定的沖擊電流及波形應采用短路來代替GDT測量，具體測試電路參考下圖：
圖8: GDT沖擊電流壽命試驗回路
絕緣電阻
標準大氣壓下，在氣體放電管極間施加一特定的直流電壓時測得的電阻值，通常要求氣體放電管的絕緣電阻達到GΩ級別。氣體放電管的不斷使用過程中，絕緣電阻值將會降低。阻值的降低會造成被保護系統正常運行時管子中泄漏電流的增大，也有可能產生噪音干擾。
極間電容（Maximum Capacitance)
在一定的頻率條件下（通常為1MHz），放電管極間測得的電容值，通常電容值為幾個pF級別，也稱為最大結電容。
工頻耐受電流
放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流稱為其工頻耐受電流，當應用于一些交流供電線路或易于受到供電線路感應作用的通訊線路時，應注意氣體放電管的工頻耐受問題。
經驗表明，感應工頻電流較小，一般不大于5A，但其持續時間卻很長；供電線路上的過電流很大，可高達數百安培，但由于繼電保護裝置的動作，其持續時間卻很短。
響應時間
在具有一定波頭上升陡度的暫態過電壓作用下，當放電管上電壓上升到其直流放電電壓值時，管子并不能立即放電，而是要等到管子上電壓上升到一個比直流放電電壓值高出很多的數值時，管子才會放電，也就是說，從暫態過電壓開始作用于放電管兩端的時刻到管子實際放電時刻之間有一個延遲時間，該時間稱為響應時間。
響應時間有兩部分組成：一是管子中隨機產生初始電子-離子對帶電粒子所需要的時間，即統計時延；二是初始帶電粒子形成電子崩所需要的時間，即形成時延。
氣體放電琮續流能力（Follow On Current）
在特定條件下，放電管經沖擊放電后，在半個波長內從低阻抗導通狀態恢復到高阻抗絕緣狀態時允許負荷的最大電流，通常以放電管兩端施加的電壓及流經放電管的交流電流大小來衡量。
圖9: GDT規格書參數描述
04、氣體放電管（GDT）典型應用
AC220V電源線雷擊浪涌防護
圖10: AC220V電源線防護
RS485接口雷擊浪涌防護
圖11: RS485接口防護
BNC接口雷擊浪涌防護
圖12: BNC接口防護
RJ45接口雷擊浪涌防護
圖13: RJ45接口防護
三相AC線電源防護
圖14: 三相AC線電源雷擊浪涌防護
05、氣體放電管（GDT）選型注意事項
氣體放電管選型時應關注如下注意事項：
直流擊穿電壓的選取
直流電壓的選取應參考電路的工作電壓，直流擊穿電壓應大于被保護線路的最大工作電壓，否則會影響線路的正常工作。
脈沖擊穿電壓的選取
要確保氣體放電管脈沖擊穿電壓，低于后級被保護線路所能承受的最高瞬時電壓值。以確保當瞬時過壓來臨時，氣體放電管反映速度快于線路反映速度，將過壓限制在安全值，這是氣體放電管的重要指標。
脈沖擊穿電壓的選取要考慮浪涌測試等級，一般浪涌測試波形的上升時間為微秒級的脈沖波形，如8/20us電流波和10/700us電壓波，與GDT脈沖擊穿電壓測量電壓上升速率1000V/us為一個數量級，例如采用10/700us的波形測試4000V，GDT的脈沖擊穿電壓要小于4000V，這樣在測試時GDT才能導通。下圖為GDT在不同電壓上升速率下的導通狀態示意圖，從圖中可以看出電壓上升速率越高，GDT的擊穿電壓也越高。
圖15: GDT在不同上升速率下的導通電壓示意圖
標稱沖擊放電電流的選取
根據應用場合及電路中可能出現的沖擊電流強度，確定所選用的GDT必須達到的耐沖擊電流強度。
氣體放電管的續流問題
當過壓消失后，要確保氣體放電管及時熄滅，以免影響線路的正常工作。氣體放電管是一種開關型過電壓保護器件，導通后電壓較低，不能單獨應用于較高的電源線保護。
氣體放電管續流問題是指氣體放電管在導通后，如果被保護電路的工作電壓高于GDT的通態電壓，GDT會一直處于導通狀態，如果線路中長時間通過安培級別的大電流，會對GDT和電路造成損壞。
為了使放電管能正常熄弧，在有可能出現續流的地方，可在放電管上串聯壓敏電阻或自恢復保險絲等限流器件。
圖16: 氣體放電管在AC輸入端口的正確應用
封裝選型
根據電路設計選擇合適封裝的GDT，GDT器件封裝的大小從一定程度上可以反應器件的防護等級大小，一般封裝越大的器件耐沖擊電流的能力也越強，防護等級也越高。
圖17: 氣體放電管的封裝選型
