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ガス放電管：古くからある保護部品が多用途性を拡大

筆者： Bill Schweber氏 2024-03-04

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回路保護は保険のようなものです。普段は必要ありませんが、備えておくと安心できます。この保護は、ヒューズなどの過電流保護と、金属酸化物バリスタ（MOV）やガス放電管（GDT）サージアレスタなどのデバイスを使用した過電圧保護の2つに大別されます（図1）。

図1：GDTは単独で、または他の過電圧・過電流デバイスと組み合わせて過電圧保護に使用できます。（画像提供：Bourns, Inc.）

ガス放電管（GDT）とその導電点について考えると、大きくてかさばる部品やアセンブリからドラマチックで非常に目立つ火花が生じるフランケンシュタイン映画のイメージを思い浮かべるかもしれません。しかし、回路保護用のGDTは非常に小型で、2電極バージョンは、保護すべきラインまたは導体（通常はAC電源ライン、I/Oポート、または露出した他の導体）とシステムグランドの間に簡単に配置できます。

これらのGDTは、より高い過電圧をグランドに迂回させることで、理想に近い機能を提供します。通常の動作状態では、デバイス内部のガスが絶縁体のように作用し、GDTは電流を通しません。GDTは、非理想的な部品と同じように回路からほとんど見えず、作動していないときのインピーダンスは数ギガオーム、寄生静電容量はわずか数ピコファラッド（pF）です。

しかし、端子間の電圧がデバイスのスパークオーバー電圧を超えると、GDT内のガスは完全にイオン化され、絶縁体として機能しなくなります。その代わり、デバイス端子間の導通は数分の1マイクロ秒で起こります（図2）。GDTのクローバ効果は、過電圧を効果的に低レベルに制限し、関連する電流の流れやサージを下流の部品や回路から遠ざけます。

図2：過電圧の限界を超えるとGDTのガスがイオン化し、デバイスは無限大に近いインピーダンスから高導電パスに1マイクロ秒未満で移行します。（画像提供：Bourns, Inc.）

サージが収まり、システム電圧が通常レベルに戻ると、GDTはハイインピーダンス（オフ）状態に戻ります。さらなる利点として、GDTは無極性（双方向性）であるため、他の電圧保護デバイスとは異なり、スパークオーバーを繰り返しても消耗しません。

ベンジャミン・フランクリンとその凧の実験（1752年）、ハンフリー・デービーによる火花のアーク放電の使用（1800年代初頭）に始まるスパークギャップの原理は、古くて骨董品的な地位にあるにもかかわらず、GDTはいまだ非常に効果的です。今日の回路やシステムのニーズに応えるため、常に進化を続けています。

通常、空気中のスパークオーバー電圧は30kV/cmです。電極間隔や他の要素を調整することで、100V未満から1000V単位までの範囲のフラッシュオーバー電圧でGDTを構築することができます。

向上し続けるGDT

たとえば、Bourns, Inc.の次世代高電流GDTであるGDT28Hシリーズは、雷やその他のAC電源線妨害による電圧過渡からの保護を大幅に改善します。その高いサージ電流定格により、小型サイズを維持しながら、高速上昇時に高度なレベルの電圧制限を提供します。

これらの2電極高電圧ガス放電管は、高い絶縁抵抗を備え、1kV～3.3kVのDCスパークオーバー電圧範囲、5kAのサージ電流率で利用可能です。映画で見られるドラマチックなスパークギャップとは異なり、これらのGDTは完全に密閉されたデバイスで、すべてのファミリ製品が8 × 6mmのスルーホール、アキシャルリードの円筒形パッケージに収められており、静電容量は1.5pF未満です（図3）。

図3：2電極GDTの回路図シンボル（左）は、GDT28Hシリーズの小型円筒形パッケージデバイスを表します。（画像提供：Bourns, Inc.）

対象となるアプリケーションは、電源、照明、HVACおよび、IEC 62368-1:2018への準拠が求められる製品です。広く使用されているこの安全規格は、定格電圧が600V未満のオーディオ機器、ビデオ機器、情報通信技術機器、業務用および事務用機器の電気・電子装置に適用されます。

UL認証済みのGDT28Hシリーズは、特にAC絶縁状況での使用に適しています。この性能は、動作電圧範囲の拡大、高い絶縁抵抗、サージ定格の向上により達成されています。さらに、GDT28Hシリーズは動作温度範囲が-40°C～+125°Cと広いため、過酷な条件下でのアプリケーションによく適しています。

ファミリ製品の1つは、2000±400VのGDTであるGDT28H-200-Aです。このファミリの全製品と同様に、公称5kA、8/20µsのインパルス放電定格を備えています。インパルススパークオーバー電圧は、100V/µsで2500V（最大）、1kV/µsで2750Vです。

これらのGDTを評価する必要がある設計者のために、BournsはDK-GDT28H-01設計キットも提供しています。このキットには、1000、1500、2500、3300Vの標準的なDCスパークオーバー電圧の4種類のデバイス（各5個）で構成されるシリーズのGDTが20個含まれています。

GDT機能は、エンジニアが基本的な物理学の原理を、異なる矛盾したアプリケーションに使用している優れた例です。GDTが完全に密閉され、過電圧をグランドにクローバするために使用されるのに対し、内燃エンジンのスパークプラグは、エンジン内のガソリンと空気の混合気を点火するために露出したフラッシュオーバーを使用します。

ここが大きな違いです。GDTの場合、火花は予測不可能な過電圧によって発生しますが、スパークプラグ機能の場合、火花は正確なタイミングで意図的に引き起こされます。

まとめ

過電圧や過電流から回路部品を保護することは、システム設計に不可欠です。GDTは過渡電流を素早くグランドにシャントするため、過電圧が下流の部品に到達して損傷や破壊を引き起こすのを防ぎます。Bournsは、関連するすべての規制基準を満たす小型の円筒形パッケージで広範囲の過電圧値と関連するサージ電流に対応するデバイスを開発することで、これらのデバイスの実用性を高めています。