導讀：電子設備自身的啟停或故障以及雷擊注入的巨大脈沖電流都是造成浪涌的原因，因此，電路設計中對于浪涌的抑制是必須要做的工作，氣體放電管則是最常用的浪涌抑制器，通常用在一級或二級保護，起泄放雷電暫態過電流和限制過電壓的作用。本文就來詳細講解氣體放電管的原理以及如何應用在電路中的。
1、氣體放電管的功能及原理
氣體放電管一般采用陶瓷作為封裝外殼，放電管內充滿電氣性能穩定的惰性氣體，放電管的電極一般有兩個電極、三個電極和五個電極三種結構。當在放電管的極間 施加一定的電壓時，便在極間產生不均勻的電場，在電場的作用下，氣體開始游離，當外加電壓達到極間場強并超過惰性氣體的絕緣強度時，兩極間就會產生電弧，電離氣體，產生“負阻特性”，從而馬上由絕緣狀態轉為導電狀態。即電場強度超過氣體的擊穿強度時，就引起間隙放電，從而限制了極間電壓。也就是說在無浪涌 時，處于開路狀態，浪涌到來時，放電管內的電極板關合導通。浪涌消失時，極板恢復到原來的狀態。
氣體放電管包括貼片、二極管和三極管，電壓范圍從75V—3500V，超過一百種規格，它是一種開關型的防雷保護器件，一般用于防雷工程的第一級或第二級的保護上，起泄放雷電暫態過電流和限制過電壓作用。
推薦閱讀：氣體放電管在浪涌抑制電路中的應用
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2、氣體放電管的主要技術參數
1）直流放電電壓
在上升陡度低于100V/s的電壓作用下，放電管開始放電的平均電壓值稱為其直流放電電壓。由于放電的分散性，所以，直流放電電壓是一個數值范圍。
2）沖擊放電電壓
在具有規定上升陡度的暫態電壓脈沖作用下，放電管開始放電的電壓值稱為其沖擊放電電壓。
放電管的響應時間或動作時延與電壓脈沖的上升陡度有關，對于不同的上升陡度，放電管的沖擊放電電壓是不同的 。
3）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。
4）沖擊耐受電流
將放電管通過規定波形和規定次數的脈沖電流，使其直流放電電壓和絕緣電阻不會發生明顯變化的最大值電流峰值稱為管子的沖擊耐受電流。
這一參數是在一定波形和一定通流次數下給出的，制造廠通常給出在8/20us波形下通流10次的沖擊耐受電流，也有給出在10/1000us波形下通流300次的沖擊耐受電流。
5）絕緣電阻和極間電容
放電管的絕緣電阻值很大，廠家一般給出的是絕緣電阻的初始值，約為數千兆歐。絕緣電阻值的降低會導致漏流的增大，有可能產生噪音干擾。
放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1pF～5pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內保持近似不變，同型號放電管的極間電容值分散性很小。
6） 直流放電電壓的選擇
從不影響被保護系統正常運行的要求出發，希望放電管的直流放電電壓選得高些。但直流放電電壓高的管子，沖擊放電電壓也高；
從被保護電子設備的耐受性來說看，希望管子的直流放電電壓選得低一些，所以，放電管的支流放電電壓應在這兩種相互制約的要求之間進行折衷選擇。
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3、氣體放電管的應用實例
1）電話機/傳真機等各類通訊設備防雷應用
如圖3所示。特點為低電流量，高持續電源，無漏電流，高可靠性。
圖3 通訊設備防雷應用
相關閱讀：第一講：解析雷電和浪涌的產生、危害及防護措施
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第二講：瞬態抑制二極管（TVS）如何進行電路保護
http://www.freschetta.cn/article_80018566.html#
第三講：壓敏電阻如何保護電子設備不受雷電、浪涌的損壞
http://www.freschetta.cn/article_80018725.html?page=1
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2）氣體放電管和壓敏電阻組合構成的抑制電路
圖4是氣體放電管和壓敏電阻組合構成的浪涌抑制電路。由于壓敏電阻有一致命缺點：具有不穩定的漏電流，性能較差的壓敏電阻使用一段時間后，因漏電流變大可 能會發熱自爆。為解決這一問題在壓敏電阻之間串入氣體放電管。但這又帶來了缺點就是反應時間為各器件的反應時間之和。例如壓敏電阻的反應時間為25ns， 氣體放電管的反應時間為100ns，則圖4的R2,G,R3的反應時間為150ns，為改善反應時間加入R1壓敏電阻,這樣可使反應時間為25ns。
圖4 氣體放電管和壓敏電阻配合應用
3）氣體放電管在綜合浪涌保護系統中的應用
自動控制系統所需的浪涌保護系統一般由二級或三級組成，利用各種浪涌抑制器件的特點，可以實現可靠保護。氣體放電管一般放在線路輸入端，做為一級浪涌保護 器件，承受大的浪涌電流。二級保護器件采用壓敏電阻，在μs級時間范圍內更快地響應。對于高靈敏的電子電路，可采用三級保護器件TVS，在ps級時間范圍 內對浪涌電壓產生響應。如圖5所示。當雷電等浪涌到來時，TVS首先起動，會把瞬間過電壓精確控制在一定的水平；如果浪涌電流大，則壓敏電阻起動，并泄放 一定的浪涌電流；兩端的電壓會有所提高，直至推動前級氣體放電管的放電，把大電流泄放到地。
圖5 三級保護
各種電子系統，以及通信網絡等，經常會受到外來的電磁干擾，這些干擾主要來自電源線路的暫態過程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會使得系統動作失誤 甚至硬件損壞。針對這些問題，要做好全面的預防保護措施，就需要先找到問題的根源，再選用合適的浪涌抑制器件予以解決。
4、放電管保護應用中存在的問題
1）時延脈沖及續流
從暫態過電壓達到放電管的ufdc（直流放電電壓）到其實際動作放電之間，存在一段時延，時延的大小取決于過電壓波的波頭上升陡度du/dt。
一般不單獨使用放電管來保護電子設備，而在放電管后面再增加一些保護元件，以抑制這種時延脈沖。
續流：放電管泄放過電流結束以后，被保護系統的工作電壓能維持放電管電弧通道的存在，這種情況稱為續流。
續流的存在對放電管本身和被保護系統具有很大的危害性。熔斷器的額定電流高于被保護系統的正常運行電流，其熔斷電流小于放電管在電弧區的續流。這種方法會造成供電和信號傳輸的短時中斷，對于要求不高的電子設備可以接受。
2）狀態翻轉及短路反射
放電管在開始放電時，由開路狀態翻轉為導通狀態，翻轉過程中，暫態電流的變化率di/dt很大，這種迅速變化的暫態電流在空間產生暫態電磁場向四周輻射能量，在附近的電源線和信號線上產生干擾，或在周圍的電氣回路中產生感應電壓。通常采取的抑制方法有屏蔽、減小耦合和濾波等。
放電管導通后，入射波被反射回去，使得后面的電子設備得到保護，但反射波電流產生的空間電磁場也會向周圍輻射能量，需要加以抑制。
5、氣體放電管的優缺點
優點：絕緣電阻很大，寄生電容很小。
缺點：在于放電時延(即響應時間)較大，動作靈敏度不夠理想，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效地抑制。
相關閱讀：對比解析：氣體放電管及壓敏電阻的原理及特性
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