（1）放电管的应用

放电管是一种适用于设备输入端的高压保护元件，它常用于多级保护电路的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和和限制过电压的作用。用在电源防雷器共模电路中时，将雷电电流泄放入大地，用在差模电路中与压敏电阻串联可阻断其漏电流；在信号防雷器中常用于第一级泄放浪涌电流（放电管属于开关组件，导通时两端电压很低，不能直接用在有源电路中作差模保护,必须用时，应串联限流组件，以防导通时形成过大的电流而损坏，甚至引起火灾），浪涌过后能恢复至断路状态。由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，所以对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。放电管保护特性的不足之处在于其放电时延较长，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制。其应用范围很广泛，主要应用在：

①.信号保护（一般为微型管及中小通流容量的系列放电管）：

信号保护主要应用在电子线路集成块、晶闸管、芯片等昂贵器件及线路板；电信网络中的信号线、网线、电话卡、交换机、传真机、电话机、配线架、交接箱、基站、移动电话天线；计算机系统的主机、调制解调器、数据处理系统、长分支线、短分支线及各种终端设备、视频系统、CATV设备、阴极射线管（CRT）；各种家用电器、实验设备、测试设备。

②.电源保护（建议选用对应的中、高及超高通流容量系列放电管）

电源保护主要应用在各种设备的电源防雷、电源插座、电源转换器、插线、空气开关、负荷开关等低压电器，铁路电力、电气系统、LC设备、电动机、潜水泵、传动设备浪涌电压防护。

③.开关器件

作为开关元件主要应用在飞机发动机、航天飞船、飞艇、工业锅炉、船舶锅炉、火车内燃机、各类汽车、摩托车、煤气灶、热水器等。

（2）放电管的分类和特点

放电管按照特性一般分气体放电管和固体放电管（也叫半导体放电管）两种。

①.气体放电管特点：

气体放电管是早期的一种间隙式的防雷/过压保护元件，它一般分为两极、三极和五极放电管。它的两个电极（彼此相距很近）之间充有气体（氩气或氖气），当高电压加到两极时，管中的气体发生电离，电路导通；在断路状态下，管子的电阻很大，导通时，电阻很小，气体放电管可以承受很大的电流，但导通速度相对较慢，在承受几百次的冲击后，性能退化，容易损坏。

②.固体放电管的特点：

固态放电管是一种新型的、基于晶闸管、TVS二极管原理和pnpn结构的一种两端负阻器件。它为两端子双向晶闸管结构，其伏安特性也是对称的。当浪涌电压加于固态放电管时，放电管内部的器件导通，使干扰电压通过导通的器件泄放掉。其具有响应速度快、重复抗电浪涌能力强、漏电小、通态压降低、对称性好、参数性能稳定等特点，所以其电性能可靠性均优于气体放电管。表1为气体放电管、固体放电管、TVS二极管和压敏电阻的特点比较：

表1各类相关器件特点比较

（3）放电管的工作原理

①.气体放电管的工作原理：气体放电管的原理主要就是气体放电，当放电管两端出现的过电压超过放电管本身的击穿电压时，管内的气体在电场的作用下，迅速发生电离而形成导电状态，破坏原来的绝缘状态，于是，电压和冲击电流被立即接地，强行切断冲击波，从而对人和设备安全起到保护作用。

气体放电管的几个主要特征：

气体放电分为两大类，非自持放电和自持放电，放电从非自持过渡到自持的现象称为气体击穿，主要有以下几个部分：

a.辉光放电：辉光放电是一种重要的放电形式，辉光放电有较大的电流，因放电管出现特有的光辉而得名。辉光放电可分为亚辉光、正常辉光和反常辉光放电三种类型。辉光放电是一种自持放电，放电电流大小为毫安级，它是靠正离子轰击阴极所产生的二次电子发射来维持的。

b.弧光放电：弧光放电是一种自持放电，它的主要特点是维持电压低，通常在30伏以内，由于弧光电流很大，单靠正离子轰击阴极不能提供这么多电子，更多的电子是阴极自身发射的电子。

c.辉弧转换过程：从辉光放电相对低的电流密度、高的电压过渡到弧光放电高的电流密度、低的放电电压，需要阴极电子发射机构本质的改变才行。在反辉光区，电流密度增加，阴极电位降增加，这使得撞击阴极的正离子能量增加，并提高了阴极的温度。反常辉光放电较高电流那部分对应阴极温度将变得足够高，从而使阴极发射出足够多的电子，这样最后只用较低的电压就能维持放电。

气体放电管的伏安特性：以直流放电电压为V的二极放电管为例：

气体放电管的伏安特性，是电极间施加的电压与响应电流的关系。放电管伏安特性的基本特征，如图（1）所示，图（1）是V的二极放电管的伏安特性曲线。由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。

在图（1）所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在A点放电，A点的电压称为放电管的直流放电电压，在A到B之间（绿色区域）的这段伏安特性上，其斜率(即动态电阻du／di)是负的，称为负阻区。如果V的直流电压源经1MΩ的电阻加到放电管上，放电管即工作在此区间，这时的放电具有闪变特征。

BC段（橙色区域）为正常辉光放电区，在此区间内电压基本不随电流而变。当辉光覆盖整个阴极表面时，电流再增加，电压也不增加。

CD段（粉色区域）称为异常辉光放电区。直流放电电压为90V-V的放电管，其辉光放电区BD的最大电流一般为0.2A～1.5A。当电流增加到足够大时，其在E点突然进入电弧放电区，即使是同一个放电管，放电由辉光转入电弧时的电流值也是不能精确重复的。

在电弧放电区，处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面，阴极材料被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使间隙距离增加，管壁绝缘变坏。在采用合适的材料后，放电管可以做到导通10kA、8／20us电流数百次。在电弧区，放电管两端的电压基本上与通过的电流无关，在管内充以不同惰性气体并具有不同的气压，电弧压降常在10V—30V。管子工作在电弧区就可以将电压箝制在较低的水平，从而达到过电压保护的目的。

当电流下降到比开始燃弧时(E点)的数值低的电弧熄灭电流值(F点)时，放电由电弧转为辉光，电弧熄灭电流通常在0.1A—0.5A。按照过电压保护的要求，在过电压作用下放电后，放电管应能自动恢复到非导通状态，否则在电弧区的续流可能会烧坏管子，甚至使通过续流的导线或电源也受到损坏。

在辉光区，毫安级的续流长期流过，也会使放电管损坏。因此，系统中加在放电管两端的系统正常运行电压，应低于维持辉光放电的电压。在一般信号电路中，电源内阻较大，维持放电的电压是维持辉光放电的电压。

②.固体放电管的工作原理：当外加电压低于放电管的击穿电压时，器件处于断开状态，使被保护器件正常工作，当外加电压高于放电管的转折电压时，放电管迅速导通，起到保护设备的作用；当外加电压恢复正常后，电流能迅速下降到低于正常工作电流，放电管自然回到断开状态。

由于固态放电管具有对称结构，所以其伏安特性也是对称的，其结构如上图（2）：若A为负电压，K为正电压，则J1(P1N1)结、J3(P2N2)结反偏，J2(P1N2)结正偏，由于重掺杂的J1结击穿电压很低，J3结承受几乎全部外电压,器件的伏安特性为反偏二极管的伏安特性曲线；当外加电压较小时，阳极电流(IA)很小,当外加电压增大到J3结击穿电压以上时，由于雪崩倍增效应，电流急剧增大，器件被击穿。

若A为正电压,K为负电压，则J1结、J3结正偏，J2结反偏,此时该器件的特性曲线如图(3)所示，可分为四个阶段：

①.阻断区：此时器件所加电压低于击穿电压,J1正偏，J2为反偏，电流很小，起了阻挡电流的作用，外加电压几乎都加在了J2上。

②.雪崩区：当外加电压上升接近J2结的雪崩击穿电压时，反偏J2结空间电荷区宽度扩展的同时，结区内电场大大增强，从而引起倍增效应加强。于是，通过J2的电流突然增大，并使流过器件的电流也增大。此时，通过J2结的电流，由原来的反向电流转变为主要由J1、J3注入的载流子，经过基区衰减而又在J2结空间电荷区倍增了的电流，形成随电压增加而引起电流急剧增加的雪崩区。

③.负阻区：当外加电压增加到大于VBO时，由于雪崩倍增效应而产生了大量的电子空穴对，此时这些载流子在强场的作用下，电子进入N2区，空穴进入P1区，由于不能很快复合而分别堆积起来，使J2空间电荷区变窄,由此使P1区电位升高,N2区的电位下降，起了抵消外电压的作用。随着J2结区电场的减弱，降落在J2结上的外电压将下降，雪崩效应也随之减弱。另一方面，J1、J3结的正向电压却有所增加，注入增强，造成通过J2结的电流增大，于是出现了电流增加电压减小的负阻现象。

④.低阻通态区：如上所述，雪崩效应使J2结两侧形成空穴和电子的积累，造成J2结反偏电压减小；同时又使J1、J3结注入增强，电流增大，因而J2结两侧继续有电荷积累，结电压不断下降；当电压下降到雪崩倍增完全停止，结电压全部被抵消后,J2结两侧仍有空穴和电子积累时，J2结变为正偏。此时，J1、J2和J3全部为正偏，器件可以通过大电流，因而处于低阻通态区，完全导通时，其伏安特性曲线与整流元件相似。