专利名称：金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子设备交流电源雷击、电磁脉冲过电压防护技术领域，特指一种完全用金属陶瓷气体放电管一步到位的吸收电子设备交流电源回路中因雷击、电磁脉冲过电压产生的过电流，并将过电压限制在电子设备的安全电压范围内，特别是在过电压吸收过程中及过电压过后能一直自动强制阻断电源给放电管带来的续流，同时通过交流电源电压过零附近时将放电管关闭的防护方案。
背景技术：
如附图1～4所示，为现有技术中普遍采用的四种电子设备电源雷击、电磁脉冲过电压防护方案的示意图。
方案1(见附图1所示)存在如下不足之处一，由于金属氧化物压敏电阻MOV固有特性-漏电流的存在，使得压敏电阻MOV在电源系统中长时间的漏电流环境下，漏电流越来越大(即所谓的老化)，直至压敏电阻MOV因热击穿而发生短路，并由此带来潜在的火灾隐患，这也是电源防雷箱时常起火的根本原因。广大防雷工程技术人员作出了各种努力虽有很大改善，但无法从根本上解决这一问题。
二，压敏电阻MOV作为非线性电阻，雷击过电流时电压降高，在电源系统雷击防护中没有续流问题，这是其优点，但同时也带来了功耗大，当通过无法承受的过电流时，压敏电阻MOV将炸碎而开路。
三，从上面情况来看压敏电阻MOV的失效模式不确定，给应用带来无法预知的结果。
四，由于压敏电阻MOV固有特性-压比的存在，其残余传输电压高，单级防雷无法保证电子设备的过电压防护要求，且一般用在第二级、第三级、第四级防雷箱中，带来安装的不便及成本的增高。
五，由于压敏电阻MOV是氧化锌陶瓷结构，其过电流能力与其截面积成正比，但截面积越大，在其烧制过程中越易变形，单一的压敏电阻MOV一般600V，40KA(8/20μS电流波)以上其通电流能力就很难再做大。
方案2(如附图2所示)存在如下不足之处一、该方案采用空气间隙01作为主放电间隙，由于空气间隙01为开放型其电弧与外界大气直接连通，不适用于防爆环境；二、由于空气间隙01为开放型其电弧与外界大气直接连通，其放电击穿电压受大气湿度影响变化很大使其工作不稳定；三、方案利用压敏电阻MOV在空气间隙01击穿过程中对空气间隙两端的电压进行限位钳制，该压敏电阻MOV在电源回路中仍存在老化问题，从而带来潜在的火灾隐患；四、由于空气间隙的灭弧过程是一电弧的变形过程，将经历一连串的熄灭，导通的过程，将给与其连通的电网带来冲击电流及射频干扰。
方案3(如附图3所示)存在如下不足之处一、该方案在交流电源回路中利用接地电阻来限制过电压过后交流电源提供的续流电流的大小，同时利用交流电源电压过零点附近来关断普通金属陶瓷气体放电管GST，由于，接地电阻的不确定性，使得对普通金属陶瓷气体放电管GST的工频耐流能力大小不易确定，施工中难以控制；二、由于该方案普通金属陶瓷气体放电管GST续流的存在，对电网的冲击很大，对电源回路的过电流能力要求很高，线路通流能力太小，续流太大时易导致电源线过热从而带来潜在的火灾隐患；方案4(如附图4所示)存在如下不足之处一、该方案相对上述三方案来看是较合理的方案，因普通金属陶瓷气体放电管GST的存在使压敏电阻MOV没有漏电流存在，这是其优点，但由于压敏电阻MOV的使用使其通电流能力受到限制。
二、该方案由于压敏电阻MOV的存在带来因压敏电阻MOV炸裂开路失效而无法预知的可能。
综上所述，目前在线使用的电子设备电源过电压防护方案均存在这样或那样的不不足之处。
金属陶瓷放电管作为一个仅依赖于电压的开关元件，凭借其超强的过电流能力、快速的响应时间及极小的极间电容，广泛的应用在电子设备信号系统中防护雷击及电磁脉冲带来的过电压对电子设备所造成的损害；而在目前电子设备电源系统中仅应用于等电位隔离接地，用来解决电子设备电源及信号雷击过电压防护方案中公共接地带来的串音干扰问题及与压敏电阻串联及与压敏电阻串联来解决压敏电阻的漏电流带来的老化两方面问题。
众所周知，金属陶瓷气体放电管的过电流能力没有极限，理论上可以做到无穷大，完全可以一步到位的将雷击及电磁脉冲过电压形成的过电流泄漏干净。
目前在世界上雷击最严重地区探测到的雷击峰值电流不过300KA(8/20μS电流波)，而金属陶瓷气体放电管目前已轻松做到500KA(8/20μS电流)，完全能满足应用要求。
金属陶瓷气体放电管的残余传输电压，对于220V，50HZ而言使用标称直流击穿电压为600V的金属陶瓷气体放电管，其脉冲击穿电压≤1200V(电压上升率为1000V/μS时)，其残余传输电压为小于1200V的脉冲尖峰，该脉冲宽度约1.2μS，不会对电子设备带来伤害，即使要彻底解决该脉冲残余传输电压，使用简单的L、C滤波回路即可达到目的。
金属陶瓷气体放电管的寿命目前已能轻松达到20年以上。
目前的金属陶瓷气体放电管不能直接应用在电子设备电源系统中的根本原因在于金属陶瓷气体放电管在强电电源系统中存在续流。该续流能导致电源短路使电源系统不能正常工作或使放电管自身损坏。
若解决了金属陶瓷气体放电管的续流问题，就能彻底解决电子设备电源雷击、电磁脉冲过电压防护问题，这也正是本发明的目的所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用金属陶瓷气体放电管对电子设备电源雷击、电磁脉冲过电压进行防护的装置，一步到位的彻底解决电子设备交流110V、220V、380V，50HZ电源系统中雷击过电压、电磁脉冲电压的防护问题。
为达到上述目的本发明提供的技术方案为金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，电路包括有一个点火电容C1，一个脉冲电压滤波电感Lo，一个滤波电容C，还主要包括有一个三极金属陶瓷气体放电管GST1，一个隔离升压变压器B，一个该隔离变压器B次级线圈的限流电阻R，一个双向可控硅BTA，一个二极金属陶瓷气体放电管GST2，其中，三极金属陶瓷气体放电管GST1的三个电极分别为两金属端电极A、A’及中间电极K，双向可控硅的三个电极分别为T1、T2及触发电极G。
所述的三极金属陶瓷气体放电管GST1的两个金属端电极A和A’分别接电源的火线输入端L和零线的输入端N，连接时没有极性，其中间电极K接隔离升压变压器B的次级线圈的一端，次级线圈的另一端通过限流电阻R与电源的火线输入端L相连，在三极金属陶瓷气体放电管GST1的金属端电极A及中间电极K上并联一点火电容C1，隔离升压变压器B的初级线圈的一端与电源的火线输入端L相连，初级线圈的另一端与双向可控硅BTA的电极T2相连，双向可控硅BTA的电极T1与电源的零线输入端N相连，连接时使隔离升压变压器B的初级与次级电压相位相反，脉冲电压滤波电感Lo的两极分别与电极A和火线输出端L’相连，滤波电容C的两极分别与火线输出端L’和零线输出端N相连，电源的零线通过二极金属陶瓷气体放电管GST2接电源、信号及建筑物防雷系统的公共接地排。
所述的双向可控硅BTA的导通是利用对流经三极金属陶瓷气体放电管GST1的电流Ip或金属端电极A与中间电极K之间的电压降UAK的信号采样后，施加到双向可控硅BTA的电极T1与触发电极G之间来触发双向可控硅BTA导通。
所述的三极金属陶瓷气体放电管由两个金属端电极、两片金属化陶瓷片、和中间电极构成，且将他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，形成内部填充有惰性气体的密封空间，该密封空间内部设置两个放电间隙，两个放电间隙由小孔相互连通。两个金属端电极与两片金属化陶瓷片上的环型金属化层，其通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接。两个金属端电极在放电管内部靠近放电间隙端设计为倒锥台型。中间电极与金属化瓷片的连接处设有外圆侧面金属化层和环型平面金属化层，其通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，金属化陶瓷片的外圆侧面金属化层及环型平面金属化层为一连续整体。
所述的二极金属陶瓷气体放电管由两个金属电极、一片金属化陶瓷片构成，且将他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，形成内部填充有惰性气体的密封空间，该密封空间内部设置一个放电间隙。两个金属端电极的一个与金属化陶瓷片上的环型金属化层通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，该金属电极在放电管内部靠近放电间隙端设计为倒锥台型；另一个电极与金属化瓷片的连接处设有外圆侧面金属化层和环型平面金属化层，其通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，金属化陶瓷片的外圆侧面金属化层及环型平面金属化层为一连续整体。
通过以上技术方案本发明彻底解决了电子设备交流110V、220V、380V，50HZ电源系统中雷击过电压、电磁脉冲过电压的防护问题。
附图1，2，3，4为目前使用的电子设备电源防护的几种装置之电路示意图；附图5为本发明的工作原理图；附图6为本发明电压采样的单相电源防护之电路示意图；附图7为本发明电流采样的单相电源防护之电路示意图；附图8为本发明电压采样的三相电源防护之电路示意图；附图9为本发明电流采样的三相电源防护之电路示意图；附图10为本发明使用的一种三极金属陶瓷气体放电管之结构示意图；
附图11为本发明使用的另一种二极金属陶瓷气体放电管之结构示意图。
具体实施例方式如附图5所示，本发明电路包括有一个点火电容C1，一个脉冲电压滤波电感Lo，一个滤波电容C，还主要包括有一个三极金属陶瓷气体放电管GST1，一个隔离升压变压器B，一个该隔离变压器B次级线圈的限流电阻R，一个双向可控硅BTA，一个二极X金属陶瓷气体放电管GST2，其中，三极金属陶瓷气体放电管GST1的三个电极分别为两金属端电极A、A’及中间电极K，双向可控硅的三个电极分别为T1、T2及触发电极G。
所述的三极金属陶瓷气体放电管GST1的两个金属端电极A和A’分别接电源的火线输入端L和零线的输入端N，连接时没有极性，其中间电极K接隔离升压变压器B的次级线圈的一端，次级线圈的另一端通过限流电阻R与电源的火线输入端L相连，在三极金属陶瓷气体放电管GST1的金属端电极A及中间电极K上并联一点火电容C1，隔离升压变压器B的初级线圈的一端与电源的火线输入端L相连，初级线圈的另一端与双向可控硅BTA的电极T2相连，双向可控硅BTA的电极T1与电源的零线输入端N相连，连接时使隔离升压变压器B的初级与次级电压相位相反，脉冲电压滤波电感Lo的两极分别与电极A和火线输出端L’相连，滤波电容C的两极分别与火线输出端L’和零线输出端N相连，电源的零线通过二极金属陶瓷气体放电管GST2接电源、信号及建筑物防雷系统的公共接地排。
当雷击或电磁脉冲过电压通过电源线路施加到金属陶瓷气体放电管GST1的两金属端电极A、A’时，由于点火电容C1的存在，使金属陶瓷气体放电管GST1的中间电极K和金属端电极A’间的气体放电间隙2先击穿短路，中间电极K和金属端电极’间的气体放电间隙2击穿约10nS后，金属陶瓷气体放电管GST1的金属端电极A和中间电极K间的气体放电间隙2也被击穿短路，在线路L→A→K→A’→N中产生脉冲电流Ip，同时在金属陶瓷放电管GST1的A-K间及K-A’间各产生约25伏的电压降UAK＝UKA′。双向可控硅BTA导通是利用对Ip或UAK的信号采样后，施加到双向可控硅BTA的电极T1与触发电极G之间来触发其导通，给隔离升压变压器B的初级线圈送电，在该变压器的次级线圈中产生相位与电源电压相位相反且有效值大于电源电压的电压，隔离升压变压器B的升压比的大小根据具体情况而定。
在过电压到来，至金属陶瓷放电管GST1完全击穿的过程中(由于气体放电间隙2击穿约需要1μS左右的时间)，将在A与A’间产生峰值约为900～1200V，脉宽约1μS左右的脉冲尖峰电压值Up，由于滤波电感Lo及滤波电容C的存在，使得该脉冲尖峰电压被吸收无法传输到L’和N间，从而没有残余传输过电压到保护设备，达到过电压保护的目的。
在电子设备耐压超过Up或电子设备电源本身有滤波时，可以不要Lo、C滤波。
当过电压脉冲到来，金属陶瓷气体放电管GST1击穿后，由于隔离升压变压器B的次级线圈电压无法与雷击及电磁脉冲过电压抗衡，所以雷击及电磁脉冲过电压产生的过电流可顺利通过金属陶瓷气体放电管GST1而被吸收。
相对于电源电压来说，由于隔离升压变压器B的存在，在雷击及电磁脉冲过电压形成的过电流吸收过程中，隔离升压变压器B的次级线圈在K点产生的电压瞬时值比电源在A点产生电压瞬时值高，隔离升压变压器B的次级线圈电压在K点电压相位与电源在A点产生的电压相位相同，强制电源电流在雷击及电磁脉冲过电压形成的过电流吸收过程中，无法从L经A到K中通过，使得金属陶瓷气体放电管GST1在雷击及电磁脉冲过电压形成的过电流吸收过程中没有由电源产生的续流，只有由隔离升压变压器次级线圈产生的幅值很小(该电流的大小处决于隔离升压变压器B的次级线圈电压及限流电阻R的大小)，且金属陶瓷气体放电管GST1可轻易承受的电流。
过电压过后，电源电压过零时隔离升压变压器B也同时过零，此时金属陶瓷气体放电管GST1关闭。
所述的金属陶瓷气体放电管GST1采用点火电容C1并联在金属陶瓷气体放电管GST1的A-K两电极上，使金属陶瓷气体放电管GST1在过电压击穿过程中使金属陶瓷气体放电管GST1的K-A’间隙预先电离，从而降低金属陶瓷气体放电管GST1的脉冲残余传输电压，提高其防护性能。
所述的隔离升压变压器B升压比根据使用情况而定，连接时初级线圈与次级线圈电压相位相反。
所述的双向可控硅BTA由金属陶瓷气体放电管GST1的管压降UAK或流经金属陶瓷气体放电管GST1的电流Ip等信号控制其工作，从而控制隔离升压变压器B的工作。
所述的双向可控硅BTA，由金属陶瓷气体放电管GST1的管压降UAK信号控制其工作的单相电源过电压防护的具体实施方案，如附图6所示。
所述的双向可控硅BTA，由流经金属陶瓷气体放电管GST1的电流Ip控制其工作的单相电源过电压防护的具体实施方案如附图7所示。
所述的单相电源过电压防护方案，在三相四线电源过电压防护方案中，可以于其任一火线对零线间复制使用见附图8及附图9。
所述的金属陶瓷气体放电管GST1在过电压吸收过程中产生的脉冲尖峰电压Up由滤波电感Lo及滤波电容C吸收，在电子设备耐压超过Up或电子设备电源本身有滤波时，可以不要Lo、C滤波。
所述的金属陶瓷气体放电管GST1，隔离升压变压器B，双向可控硅BTA，限流电阻R，点火电容C1在电源正常时不工作，没有功耗。
如附图10所示，所述的三极金属陶瓷气体放电管GST1由两个金属端电极1、两片金属化陶瓷片2和中间电极3构成，且将他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，形成内部填充有惰性气体的密封空间，该密封空间内部设置两个放电间隙4，两个放电间隙4由小孔5相互连通。金属端电极1与金属化陶瓷片2上设有环型金属化层7，且将他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，该金属端电极1在放电管内部靠近放电间隙4端设计为倒锥台型。中间电极3与金属化瓷片2连接处设有外圆侧面金属化层61和环型平面金属化层62，通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行压应力气密性封接。金属化陶瓷片2之外圆侧面金属化层61及环型平面金属化层62为一连续整体，该封接方式的目的在于增加中间电极3与金属化瓷片2的结合强度，来增加承受巨大电流通过三极金属陶瓷气体放电管GST1的放电间隙4时，其密封空间内惰性气体产生的巨大膨胀压力，同时与中间电极封接的环型金属化平面62沿金属化瓷片2的半径方向向内延伸一定距离，并利用该延伸的环型金属化层62来屏蔽放电间隙产生的高温辐射，防止金属化陶瓷片2炸裂。
如附图11所示，所述的二极金属陶瓷气体放电管GST2由一个金属电极11，一个金属电极31，一片金属化陶瓷片21构成，且将他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，形成内部填充有惰性气体的密封空间，该密封空间内部设置一个放电间隙41。金属电极11与金属化陶瓷片21上设有环型金属化层71，他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，该金属电极11在放电管内部靠近放电间隙41端设计为倒锥台型。金属电极31与金属化瓷片21连接处设有外圆侧面金属化层611和环型平面金属化层621，其通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行压应力气密性封接，该金属化陶瓷片21之外圆侧面金属化层611及环型平面金属化层621为一连续整体。该封接方式的目的在于增加金属电极11与金属化瓷片21的结合强度，来增加承受巨大电流通过二极金属陶瓷气体放电管GST2的放电间隙41时，其密封空间内惰性气体产生的巨大膨胀压力，同时与金属电极31封接的环型金属化平面沿金属化瓷片21的半径方向向内延伸一定距离，利用该延伸的环型平面金属化层621来屏蔽放电间隙41产生的高温辐射，防止金属化陶瓷片21炸裂。
另外，三极金属陶瓷气体放电管GST1也可以由两个二极金属陶瓷气体放电管GST2串联替代，串联时无极性，串联后两二极金属陶瓷气体放电管GST2的连接点为原三极金属陶瓷气体放电管GST1的中间电极K，另两端电极分别为三极金属陶瓷气体放电管GST1的两金属端电极A，A’。
以上所述之实施例只为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
权利要求
1.金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，电路包括有一个点火电容(C1)，一个脉冲电压滤波电感(Lo)，一个滤波电容(C)，其特征在于还主要包括有一个三极金属陶瓷气体放电管(GST1)，一个隔离升压变压器(B)，一个该隔离变压器(B)次级线圈的限流电阻(R)，一个双向可控硅(BTA)，一个二极金属陶瓷气体放电管(GST2)，其中，三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的三个金属电极的分别为两金属端电极(A、A’)及中间电极(K)，双向可控硅的三个电极分别为(T1、T2)及触发电极G。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的两个金属端电极(A)和(A’)分别接电源的火线输入端(L)和零线的输入端(N)，其中间电极(K)接隔离升压变压器(B)的次级线圈的一端，次级线圈的另一端通过限流电阻(R)与电源的火线输入端(L)相连，在三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的金属端电极(A)及中间电极(K)上并联一点火电容(C1)，隔离升压变压器(B)的初级线圈的一端与电源的火线输入端(L)相连，初级线圈的另一端与双向可控硅(BTA)的电极(T2)相连，双向可控硅(BTA)的电极(T1)与电源的零线输入端(N)相连，连接时使隔离升压变压器(B)的初级线圈与次级线圈的电压相位相反，脉冲电压滤波电感(Lo)的两极分别与电极(A)和火线输出端(L’)相连，滤波电容(C)的两极分别与火线输出端(L’)和零线输出端(N)相连，电源的零线通过二极金属陶瓷气体放电管(GST2)接电源、信号及建筑物防雷系统的公共接地排。
3.根据权利要求1或2所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于所述的双向可控硅(BTA)的导通是利用对流经三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的电流(Ip)或金属端电极(A)与中间电极(K)之间的电压降(UAK)的信号采样后，施加到双向可控硅(BTA)的电极(T1)与触发电极(G)之间来触发双向可控硅(BTA)导通。
4.根据权利要求1所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)由两个金属端电极(1)、两片金属化陶瓷片(2)、和中间电极(3)构成，二极金属陶瓷气体放电管(GST2)由一个金属电极(11)，一个金属电极(31)，一片金属化陶瓷片(21)构成，且将他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，形成内部填充有惰性气体的密封空间。
5.根据权利要求1或4所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的密封空间内部设置两个放电间隙(4)，两个放电间隙(4)由小孔(5)相互连通，二极金属陶瓷气体放电管(GST2)的密封空间内部设置一个放电间隙(41)。
6.根据权利要求1或4所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的金属端电极(1)与金属化陶瓷片(2)上设有环型金属化层(7)，他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接，二极金属陶瓷气体放电管(GST2)的金属电极(11)与金属化陶瓷片(21)上设有环型金属化层(71)，他们通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行气密性封接。
7.根据权利要求1或4所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的金属端电极(1)在放电管内部靠近放电间隙(4)端设计为倒锥台型，二极金属陶瓷气体放电管(GST2)的金属电极(11)在放电管内部靠近放电间隙(41)端设计为倒锥台型。
8.根据权利要求1或4所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的中间电极(3)与金属化瓷片(2)，连接处设有外圆侧面金属化层(61)和环型平面金属化层(62)，二极金属陶瓷气体放电管(GST2)的金属电极(31)与金属化瓷片(21)连接处设有外圆侧面金属化层(611)和环型平面金属化层(621)，其通过电真空银铜合金焊料高温钎焊进行压应力气密性封接。
9.根据权利要求8所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于所述的三极金属陶瓷气体放电管(GST1)的金属化陶瓷片(2)之外圆侧面金属化层(61)及环型平面金属化层(62)为一连续整体，所述的二极金属陶瓷气体放电管(GST2)的金属化陶瓷片(21)之外圆侧面金属化层(611)及环型平面金属化层(621)为一连续整体。
10.根据权利要求1或2所述的金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置，其特征在于三极金属陶瓷气体放电管(GST1)可以由两个二极金属陶瓷气体放电管(GST2)串联替代，串联后两二极金属陶瓷气体放电管(GST2)的连接点为(K)，另两端电极分别为(A，A’)。
全文摘要
本发明涉及电子设备交流电源雷击、电磁脉冲过电压防护技术领域，特指一种金属陶瓷气体放电管交流电源过电压防护装置。其电路包括有一个点火电容C
文档编号H02H9/06GK1601843SQ200410051929
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月26日 优先权日2004年10月26日
发明者曾献昌 申请人:曾献昌