压敏电阻MOV和气放GDT功能和原理介绍及应用区别

压敏电阻和气体放电管都属于浪涌保护器件SPD用于吸收过电压泄放雷击/静电浪涌电流保护后端电路。但两者工作原理完全不同经常组合使用。一、压敏电阻MOVMetal-Oxide Varistor1.1 功能并联在被保护电路前端常态为高组态一般是MΩ级别。出现瞬间过压时迅速变低阻把浪涌电压泄放到地钳位线路电压过压消失后自动恢复高阻。主要用于电网口、电源口或信号口做保护吸收雷击感应、浪涌或静电浪涌电压等。1.2 工作原理压敏电阻的核心是氧化锌陶瓷晶粒晶体边界等效大量PN结。1正常电压晶体边界势垒阻挡电流阻抗极高几乎不漏电。2电压超过压敏电阻势垒被击穿晶粒之间导通电阻急剧下降大电流流过电压被钳制在限制电压。3浪涌消失电压回落器件回到高阻抗非破坏性击穿。属于钳位型保护器件不会把电压拉到接近0而是钳位到一个较高残压。1.3 关键特性1压敏电阻1mA直流电流下的电压选型要高于正常工作电压且保留余量。2最大通流容量8/20uS雷击浪涌电流单位kA。3残压Ures流过浪涌电流时器件两端实际电压期间后端承受的就是这个电压。4寄生电容大几十nF级别5有老化效应多次大浪涌冲击后漏电流上升性能衰退严重会引起起火。6响应速度快ns级。1.4 优点1响应速度快ns级2通流能力大价格便宜通流能力比气放弱不少。3双向保护交直流都可用。4可重复吸收多次中等浪涌1.5 缺点1损坏后易短路2寄生电容大不适合高频高速信号电路。3有较高残压对后端器件应力要求大。4存在老化多次浪涌冲击后漏电流变大有短路起火风险大功率产品建议串联保险丝使用。5直流下不能承受持续过压持续高于压敏电压会发热烧毁。二、热熔断型压敏电阻TFMOVThermal-Fuse-MOVTFMOVMOV芯片热熔断/机械脱口机构集成封装2.1 作用普通MOV老化失效后漏电流变大持续发热有起火风险TFMOV过热时内部易熔合金熔断/机械弹簧脱扣把MOV从主回路断开避免起火部分带遥信报警引脚。2.2 优点最核心优点就是TFMOV动作老化后不会短路而是断路。避免造成保护口短接损坏端口及设备等。相比MOV这是选TFMOV最核心原因。三、气体放电管GDTGas Discharge Tube3.1 功能常态并联保护常态绝缘。动作当过电压过来管内气体击穿放电两级变成低阻通路将浪涌电流泄放到地。恢复过压消失后电流低于维持电流电弧熄灭恢复绝缘。如放在电网口很难自己灭弧有一定概率电网过零灭弧使用时需串联MOV共同使用多用于通讯线路、信号口及电源口等。3.2 工作原理玻璃/陶瓷管内部充惰性气体两个电极。常态气体绝缘阻抗极高pA级别漏电流。动作两端电压超过直流击穿电压Vdc或浪涌电压超过冲击击穿电压Vimp。管内气体电离产生电弧阻抗骤降大电流泄放。恢复浪涌过去回路电流小于维持电流电弧熄灭气放恢复绝缘状态。属于开关型保护器件击穿后电压跌落至电弧电压通常几伏--几十伏导通后近似短路。3.3 关键特性1维持电流必须大于该值才能维持电弧。如果浪涌过后维持电流持续大于该值则不会灭弧持续短路。2绝缘电阻极高寄生电容极小1pF).3动作时过电流能力强4响应速度慢动作时间几十--几百ns5动作一瞬间有较高残压3.4 优点寄生电容小适合高频电路绝缘阻抗极高正常情况下无漏电流导通后电话电压低抗浪涌能力强寿命好老化比MOV轻微双向保护3.5 缺点响应速度慢在动作之前有较高的浪涌电压后端器件需承受这段时间的电压应力或二级保护。灭弧最严重问题浪涌过去之后回路电流仍大于维持电流气放不会灭弧。如气放加在电网两端即使过零点也可能不会灭弧。击穿电压离散型大价格高于MOV四、MOV和GDT核心对比表项目压敏电阻MOV气体放电管GDT保护类型钳位型开关型响应速度快ns级慢几十~几百ns寄生电容大nF)极小1pF常态漏电流小随老化增大极小pA级导通后电压残压很高电弧电压很低续流风险无有且严重老化特性多次冲击后老化明显老化轻微缺点电容大会老化起火响应慢怕续流使用场景电源口低频电路高频信号通讯电路五、电路应用对比下图为电网口的雷击浪涌电路星型MOV接法星型MOVGDT接法位号元器件型号MOV1、MOV2、MOV320D471KJGDT12R600TD-85.1 电路分析1星型MOV接法优缺点优点响应速度快、一般是ns级别电压降下去之后会迅速回到高阻抗状态。缺点:MOV动作后残压偏高两个MOV串联会导致更高残压后面器件应力要求高有uA级别漏电流阻抗是MΩ级别易老化多次动作老化后易起火。2星型MOVGDT接法优缺点优点总体残压偏低气放残压只有几十伏对地回路几乎无漏电流气放阻抗极大在1GΩ以上。缺点MOV响应速度快ns级气放响应速度慢几百ns--us级在MOV动作而气放不动作期间因没有泄放回路降低了期间的保护作用气放在工作之后MOV也动作此时浪涌电压较高时流过的电流要大于MOV串MOV的情况此时MOV更容易损坏且气放刚动作时有较高残压。5.2 测试分析5.2.1 MOV串MOV测试条件1.2/50uS、脉冲电压±2000V两个MOV串联元器件型号20D471KJ将脉冲电压加在MOV两端MOV动作之后分别测量两个元器件引脚之间残压整体残压流过MOV电流与动作时间。MOV4残压VMOV6残压V残压之和V最大放电电流A放电时间uS730740149016125.2CH1MOV1两端残压黄色CH2MOV2两端残压绿色MOV1和MOV2两端残压之和CH1MOV串MOV放电电流CH2残压之和CH1MOV串MOV放电电流CH2残压之和5.2.2 MOV串GDT测试条件1.2/50uS、脉冲电压±2000V、MOV串GDT元器件型号20D471KJMOV、2R600TD-8GDT将脉冲电压加在MOV和GDT两端MOV和GDT动作之后分别测量两个元器件引脚之间残压整体残压流过MOV和GDT电流与动作时间。MOV4残压VF1残压V残压之和V最大放电电流A放电时间uS780960动作一瞬间960一瞬间50731.4CH1MOV1两端残压黄色CH2GDT1两端残压绿色MOV1和GDT1两端残压之和CH1MOV串GDT放电电流CH2残压之和CH1MOV串GDT放电电流CH2残压之和5.3 结论从测试结果来看星型MOV串GDT的接法气放动作慢的问题对整体的保护效果基本上可以忽视。虽然气放还存在动作瞬间残压大的问题但总体来看并不会与MOV残压叠加总体残压要远小于MOV串MOV的接法。MOV串MOV的接法在残压之和、泄放能力和泄放时间上与MOV串GDT接法效果都差很多。因此最终选用星型MOVGDT接法比较合适。