氣體放電管：「古老」的保護元件已擴充多功能性

電路保護就像保險一樣：平常用不到，一旦用得上便會慶幸自己有一份保障。這種保護可分為兩大類：透過保險絲等提供過電流保護；以及使用金氧變阻器 (MOV) 和氣體放電管 (GDT) 避雷器等裝置，提供過壓防護 (圖 1)。

圖 1：GDT 可單獨用於過電壓保護，也可與其他過電壓和過電流裝置搭配使用。(圖片來源：Bourns, Inc.)

想到氣體放電管 (GDT) 及其導電點，可能會在腦中浮現出《科學怪人》電影中的景象，龐大笨重的元件與組件運作，一起激發出誇張且明顯可見的火花。然而用於電路保護的 GDT 相當小，而且可以輕鬆地將雙電極版本的 GDT，放在需要保護的線路或導線 (通常是 AC 電源線、I/O 連接埠或其他裸露的導線) 和系統接地之間。

這類 GDT 可將較高的過電壓轉移到接地端，可提供近乎理想的功能。在正常工作條件下，裝置內部的氣體就如同絕緣體一樣，而且 GDT 不會傳導電流；如同非理想元件一樣，在電路中幾乎看不見，在不啟動時具有數千兆歐姆的阻抗，且寄生電容則只有幾 pF。

但是，當端子間的電壓超過裝置的跳火電壓時，GDT 中的氣體將完全離子化，不再具備絕緣作用。相反地，裝置端子間不用 1 μs 的時間就會發生導電 (圖 2)。GDT 的消弧效應可有效地將過電壓限制在低位準，並且將相關的電流或突波從下游元件和電路中分流。

圖 2：超出過電壓限制時，GDT 氣體會離子化，而裝置會在不到 1 μs 的時間內，從幾乎無限阻抗變為高導電路徑。(圖片來源：Bourns, Inc.)

當突波事件消退，且系統電壓恢復至正常位準後，GDT 就會回到高阻抗 (關閉) 狀態。GDT 還有另一個額外優點，屬於非極化裝置 (雙向)，不像其他一些電壓保護裝置，會因為反覆跳火事件而磨損。

儘管 GDT 及其火花隙原理年代已久遠，可以追溯至班傑明‧富蘭克林和他的風箏實驗 (1752 年) 和漢弗里‧戴維使用火花電弧 (1800 年代早期)，但 GDT 仍然是非常可行的方案。此裝置目前仍不斷演進，可滿足當今電路和系統的需求。

經常引用的空氣中跳火電壓值為 30 kV/cm。透過電極間距和其他因素的調整，GDT 能以低於 100 V 至 1000 V 之間的閃絡電壓製作而成。

GDT 持續改進

例如，Bourns, Inc. 的 GDT28H 系列屬於新一代高電流 GDT，可在雷擊與其他 AC 電源線干擾引起暫態電壓時，顯著提升保護能力。其高突波電流額定值可在電壓快速上升事件中，提供增強的電壓限制功能，同時仍保持小巧尺寸。

這些雙電極高電壓氣體放電管具有高絕緣電阻，且 DC 跳火電壓範圍介於 1 kV 至 3.3 kV 之間，而突波電流率為 5 kA。這些 GDT 是全封閉裝置，且所有系列產品皆裝在 8×6 mm 通孔式軸心引線的圓柱形封裝內，電容量低於 1.5 pF (圖 3)，這與電影中看到的誇張火花隙不同。

圖 3：雙電極 GDT 的線路圖符號 (左) 代表 GDT28H 系列中的小型圓柱形封裝裝置。(圖片來源：Bourns, Inc.)

目標應用包括電源供應器、照明、HVAC，以及必須遵守 IEC 62368-1:2018 的產品。此安全標準已獲得廣泛使用，適用於音訊、視訊，資通訊技術領域的電氣與電子設備，以及額定電壓低於 600 V 的商用和辦公設備。

通過 UL 認證的 GDT28H 系列特別適用於 AC 隔離的情況。此系列產品透過擴大的工作電壓範圍、高絕緣電阻和提升的突波額定值來達到此效能。此外，GDT28H 系列還提供 -40°C 至 +125°C 的寬廣工作溫度範圍，適用於嚴峻條件的應用。

此系列中的 GDT28H-200-A，是一款 2000±400 V 的 GDT。如同此系列的所有產品一樣，此產品具有 5 kA 標稱 8/20 µs 脈衝放電額定值。脈衝跳火電壓在 100 V/µs 下為 2500 V (最大值)；在 1 kV/µs 下為 2750 V。

Bourns 還針對需要這些 GDT 的設計人員提供 DK-GDT28H-01 設計套件。此套件含有此系列的 20 個 GDT，分為 4 款，且各 5 件，包括 1000、1500、2500 和 3300 VDC 典型跳火電壓的款式。

GDT 的作用就是工程師在不同的互斥應用中使用基本物理原理的最佳範例。當 GDT 完全封閉並用來對接地的過電壓進行消弧時，內燃引擎的火星塞會使用暴露的閃絡，來點燃引擎中的汽油空氣混合物。

此時，操作會分成兩個部分：在 GDT 操作方面，火花是由不可預測的過電壓事件產生；但在火星塞運作方面，火花則是在精準的定時下刻意點燃的。

結論

保護電路元件以免受到過電壓和過電流事件的影響，是系統設計中相當重要的一部分。GDT 可快速將瞬變電壓分流到接地端，因此可避免過大電壓抵達甚至破壞下游元件。Bourns 透過開發作業增添這些裝置的實用性，以便在符合所有相關法規標準的小型圓柱封裝內，處理多種過電壓值和相關的突波電流。

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