硬件设计:电路防护--陶瓷气体放电管(GDT)

参考资料：硬件开发者之路之——保护电路系列之输入电源端口的防护设计

GDT产品选型指南

陶瓷气体放电管，如何正确选择型号？

深圳市硕凯电子有限公司元器件产品说明

　　陶瓷气体放电管，简称GDT(Gas Discharge Tubes),广泛用于防雷工程的第一级或第二级保护上，常与限压型防雷保护器件综合应用。无论是各种信号电路的防雷还是交直流电源的防雷，都可以借助陶瓷气体放电管将强大的雷电流泄放入大地，对高频电子线路的保护有着明显的优越性。

一、GDT工作原理

　　陶瓷气体放电管是一种开关型过压防雷保护器件，内部是由一个或多个放电间隙内充有惰性气体构成的密闭器件。其电气性能基本取决于气体种类、气体压力以及电极距离，中间所充的气体主要是氖或氩，并保持一定的压力，电极表面涂以发射剂以减少电子发射能。这些措施使得动作电压可以调整(一般在70伏到几千伏)，而且可以保持在一个确定的误差范围内。当其两端电压升高到大于放电电压时，产生弧光放电，气体电离放电后由高阻抗转为低阻抗，使其两端电压迅速降低，大约为20~50V。当在放电管的极间施加一定的电压时，便在极间产生不均匀的电场，在电场的作用下，气体开始游离，当外加电压达到极间场强并超过惰性气体的绝缘强度时，两极间就会产生电弧，电离气体，产生“负阻特性”，从而马上由绝缘状态转为导电状态。即电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，从而限制了极间电压。也就是说在无浪涌时，处于开路状态，浪涌到来时，放电管内的电极板关合导通。浪涌消失时，极板恢复到原来的状态。其雷击过后两端电压响应关系如图1。

图1 GDT对10/700us波的响应关系

二、GDT主要特性参数

　　2.1、DC spark-over Voltage(直流击穿电压)

　　　　GDT的直流击穿电压是指在放电管上施加缓慢升高的直流电压(上升速率不大于100V/s)时，GDT火花放电时的电压，也称直流火花放电电压。这也是放电管的标称电压，常用的有90V、150V、230V、350V、470V、600V、800V等几种，其误差范围一般为±20%，也有的为±15%。其对低上升速率电压的响应关系如图2。

图2 GDT对低上升速率响应关系

　　2.2、Maximum Impulse Spark-over Volatage(脉冲击穿电压)

　　　　脉冲击穿电压也称最大冲击火花放电电压，是指在放电管上施加100V/us或1KV/us(接近于雷击脉冲电压上升陡度)的脉冲电压时的击穿电压值。由于陶瓷气体管的反应速度较慢，脉冲击穿电压要比直流击穿电压高得多。其对高上升速率电压的响应关系如图3。

图3 GDT对高上升速率响应关系

　　2.3、Nominal Impulse Discharge Current(标称冲击放电电流)

　　　　标称冲击放电电流是指给定波形的冲击电流峰值，一般为8/20us的脉冲电流波形，为GDT的额定值。冲击放电电流又分为单次放电电流(8/20us波冲击1次)和标称冲击放电电流(8/20us波冲击10次)，一般后者约为前者的一半左右。

　　2.4、ImPulse Life(耐受冲击电流寿命)

　　　　该参数是衡量GDT耐受多次冲击电流的能力，在一定程度上反应了GDT的稳定性及可靠性。

三、GDT选型

　　3.1、在快速脉冲冲击下，陶瓷气体放电管气体电离需要一定的时间(一般为0.2~0.3us)，因此有一个幅度较高的尖脉冲会泄露到后面去。若要抑制这个尖脉冲，有以下几种方法：

　　　　a、在放电管上并联电容器或压敏电阻；

　　　　b、在放电管后串联电感或留一段长度适当的传输线，使尖脉冲衰减到较低的电平；

　　　　c、采用两级保护电路，以放电管作为第一级，以TVS管或者半导体过压保护器件作为第二级，两级之间用电阻、电感或自恢复保险丝隔离。

　　3.2、直流击穿电压Vsdc的最小值应大于可能出现的最高电源峰值电压或最高信号电压的1.2倍以上。

　　3.3、要根据线路上可能出现的最大浪涌电流或需要防护的最大浪涌电流进行选择。放电管冲击放电电流应按标称冲击放电电流(或单次冲击放电电流的一半)来计算。

　　3.4、陶瓷气体放电管因击穿电压误差较大，一般不作并联使用。

　　3.5、GDT是一种开关型保护器件，导通后电压较低，不能单独应用于较高的电源线保护。常说的GDT续流现象是指GDT在导通后，如果被保护电路的工作电压高于GDT的通态电压，GDT会一直处于导通状态，如果线路中长时间通过安培级别的大电流，会对GDT和电路造成损坏，可以在放电管上串联压敏电阻或自恢复保险丝等限制续流，使它小于放电管的维持电流。

四、GDT特点

　　优点：1、击穿前相当于开路，电阻很大，没有漏电流或漏电流很小；击穿后相当于短路，可通过很大的电流，压降很小；

　　　　　2、脉冲通流量大，常用有2KA、10KA、20KA等，最高可达到100KA以上；

　　　　　3、结电容低，多数GDT结电容小于2pF；

　　缺点：1、由于气体电离需要一定的时间，所以响应速度较慢，反应时间一般为0.2~0.3us，最快也有0.1us左右，在它未导通之前，会存在一个幅度较大的尖脉冲漏过去，而起不到保护作用。

　　　　　2、击穿电压一致性较差，分散性较大，一般为±20%。

　　　　　3、击穿电压只有几个特定值

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