نحوه کار لوله‌های تخلیه گاز: اصول اساسی و اجزای تشکیل‌دهنده

لوله‌های تخلیه گاز، که به طور رایج به آن‌ها GDT گفته می‌شود، با یونیزه کردن گازهای بی‌اثر در شرایط ولتاژ بالا، از قطعات الکترونیکی حساس محافظت می‌کنند. معمولاً این دستگاه‌ها شامل گازهایی مانند نئون یا آرگون هستند که به عنوان عایق بین تماس‌های فلزی درون لوله عمل می‌کنند. زمانی که ناگهان اختلاف پتانسیل الکتریکی به میزانی فراتر از حد تحمل دستگاه افزایش می‌یابد، اتفاق واقعی رخ می‌دهد. این نوسانات اغلب ناشی از صاعقه یا ناپایداری شبکه برق هستند که در آن‌ها ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد و گاهی اوقات از ۹۰ ولت در میکروثانیه فراتر می‌رود. در این لحظه، الکترون‌ها درون گاز شروع به حرکت سریع‌تر و سریع‌تر می‌کنند تا اینکه در نهایت الکترون‌هایی را از اتم‌های گاز بیرون می‌زنند و تقریباً بلافاصله مسیر پلاسمایی درخشانی ایجاد می‌شود. نتیجه این است که GDT از حالتی که کاملاً جریان الکتریکی را مسدود می‌کرد، به یک اتصال کوتاه تبدیل می‌شود که تمام این الکتریسیته‌ی زیاد و خطرناک را به جای آسیب به تجهیزاتی که باید محافظت شوند، به زمین هدایت می‌کند.

فیزیک بنیادین پشت عملکرد لوله تخلیه گاز

این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که الکترون‌های آزاد شروع به حرکت درون یک میدان الکتریکی می‌کنند، بر اساس آنچه نظریه تخلیه تاونسند نامیده می‌شود. این الکترون‌ها سرعت می‌گیرند و به مولکول‌های گاز خنثی برخورد می‌کنند که باعث آزاد شدن الکترون‌های بیشتری می‌شود. آنچه در مرحله بعد اتفاق می‌افتد بسیار جالب است — یک واکنش زنجیره‌ای رخ می‌دهد که در آن هر برخورد الکترون‌های بیشتری ایجاد می‌کند و ناگهان افزایش چشمگیری در هدایت الکتریکی کل سیستم مشاهده می‌شود. وقتی شرایط بسیار شدید می‌شوند و جریان به حدود ۱ کیلوآمپر بر سانتی‌متر مربع برسد، اتفاقی دراماتیک رخ می‌دهد. دستگاه وارد حالتی می‌شود که مهندسان آن را حالت قوس (arc mode) می‌نامند. در این مرحله، یک پلاسمای پایدار درون لوله تشکیل می‌شود و در واقع جلوی افزایش بیش از حد ولتاژ را می‌گیرد و معمولاً ولتاژ کل دستگاه را کمتر از حدود ۵۰ ولت نگه می‌دارد.

اجزای اصلی: الکترودها، گاز بی‌اثر و پوسته سرامیکی

• الکترودها : ساخته‌شده از آلیاژهای تنگستن یا نیکل-آهن، این الکترودها قادر به تحمل دماهای ناشی از قوس الکتریکی تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد هستند
• مخلوط‌های گازی : مخلوط‌های نئون و آرگون به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که ولتاژ شکست DC مشخصی (200 تا 1000 ولت) و ویژگی‌های خاموشی قابل اطمینان داشته باشند
• پوسته‌های سرامیکی : پوسته‌های مبتنی بر آلومینا تا 15 کیلوولت عایق‌بندی فراهم می‌کنند، از قوس الکتریکی خارجی جلوگیری می‌کنند و پایداری مکانیکی را تضمین می‌کنند

مکانیسم‌های شکست و نقش استحکام دی‌الکتریک

استحکام دی‌الکتریک گازهای بی‌اثر — معمولاً 20 تا 40 کیلوولت بر سانتی‌متر — ولتاژ تریگر شدن GDT را تعیین می‌کند. اغتشاشات سریع، میدان‌های الکتریکی ناهمگنی در سراسر فاصله الکترود ایجاد می‌کنند که حتی در ولتاژهای پایین‌تر از سطح اسمی شکست، باعث تخلیه میدانی می‌شوند. کنترل دقیق فاصله شکاف (در محدوده ±0.05 میلی‌متر) عملکرد یکنواخت را در سرتاسر دسته‌های تولیدی تضمین می‌کند.

مراحل یونیزاسیون: از تخلیه تاونسند تا تشکیل قوس

1. فاز تاونسند : در فشار پایین (~10 تا 100 میکروتور)، جریان‌های در حد میکروآمپر، زنجیره‌های الکترونی را آغاز می‌کنند
2. تخلیه نورانی : هنگامی که یونیزاسیون گسترش می‌یابد، جریان‌های در محدوده میلی‌آمپر نور بنفش مرئی را در سراسر فاصله ایجاد می‌کنند
3. گذار قوس : یونیزاسیون حرارتی پلاسمایی در دمای 5,000 تا 10,000 کلوین تولید می‌کند که به GDT اجازه می‌دهد جریان‌های ناگهانی در سطح کیلوآمپر را تحمل کند

این فرآیند مراحلی امکان زمان پاسخگویی کمتر از 100 نانوثانیه را فراهم می‌کند و باعث می‌شود GDTها بسیار مؤثر باشند در مواجهه با نوسانات پرانرژی که در آن دستگاه‌های نیمهرسانا ممکن است دچار خرابی شوند.

نقش GDTها در سیستم‌های حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ و نوسانات

GDTها به عنوان محافظان اولیه در برابر رویدادهای گذرا اضافه‌ولتاژ

لوله‌های تخلیه گاز به عنوان محافظ اولیه در برابر نوسانات ولتاژ عمل می‌کنند و در عرض یک میلیونیم ثانیه فعال شده، هرگاه ولتاژ افزایش یابد، مسیر هدایت جریان به سمت زمین ایجاد می‌کنند. این دستگاه‌ها با اتصال کوتاه کردن جریان‌های بیش از ۲۰ هزار آمپر، قبل از اینکه بتوانند به تجهیزات متصل در مسیر پایین‌دست آسیب برسانند، جلوی آن را می‌گیرند. مؤثر بودن این لوله‌ها به خاطر توانایی آن‌ها در تحمل پالس‌های انرژی بزرگ از طریق فرآیندهای یونیزاسیون است که قادرند در هر حادثه حدود ده کیلوژول انرژی را جذب کنند. این ظرفیت برای نصب‌هایی که به طور مکرر تحت تنش الکتریکی قرار می‌گیرند بسیار مهم است؛ به عنوان مثال مراکز توزیع برق یا مراکز تبادل تلفن که در آن‌ها بازرسی‌های منظم بخشی از عملیات روزانه هستند.

دینامیک ولتاژ قلابی و اتلاف انرژی در طول نوسانات

هنگامی که شروع به هدایت می‌کنند، لوله‌های تخلیه گازی (GDT) ولتاژ قلابی را در محدوده‌ای بین ۲۰ تا ۵۰ ولت حفظ می‌کنند، صرف‌نظر از بزرگی نوسان، زیرا پلاسمای داخل آن‌ها پایدار می‌ماند. دلیل این عملکرد قابل اعتماد چیست؟ این موضوع به مخلوط‌های گازی دقیق و متعادل داخل آن‌ها برمی‌گردد. معمولاً ترکیبی حدود ۹۰ درصد نئون و ۱۰ درصد آرگون مشاهده می‌شود. این ترکیب به خوبی تعادل مناسبی بین خواص عایقی قوی و ویژگی‌های یونیزاسیون مناسب ایجاد می‌کند. اکنون در مورد ظرفیت تحمل انرژی، برخی از طراحی‌های بسیار قوی می‌توانند بیش از ۱۰۰۰ ژول در میکروثانیه انرژی را پراکنده کنند. و حدس بزنید چه چیزی از داغ شدن بیش از حد جلوگیری می‌کند؟ پوسته‌های سرامیکی خاصی هستند که به خوبی در برابر تجمع حرارت مقاومت می‌کنند.

هماهنگی با محافظ‌های ثانویه مانند دیودهای TVS در مدارهای ترکیبی

مدارهای حفاظتی ترکیبی مدرن معمولاً از ترکیب لوله‌های تخلیه گاز (GDT) با دیودهای سرکوب ولتاژ گذرا (TVS) برای عملکرد بهتر استفاده می‌کنند. در اصل، ابتدا GDT وظیفه مقابله با اضافه‌جریان‌های بزرگ را بر عهده دارد که می‌تواند از حدود ۵ تا حتی ۱۰۰ کیلوآمپر متغیر باشد. سپس دیودهای TVS در مسیر پایین‌دست فعال شده و ولتاژهای ناگهانی کوچک باقی‌مانده را کاهش می‌دهند و آنها را به سطحی ایمن، معمولاً کمتر از ۵۰۰ ولت، می‌رسانند. هنگامی که این دو جزء به صورت لایه‌ای با هم کار می‌کنند، میزان انرژی عبوری را در مقایسه با استفاده از تنها یک نوع محافظ، حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌دهند. این نوع پیکربندی همان چیزی است که اکثر تولیدکنندگان برای رعایت الزامات FCC در حفاظت از نصب تجهیزات حساس نیاز دارند.

مطالعه موردی: استفاده از GDT در حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ در خطوط مخابراتی و PoE

آزمایش‌های انجام‌شده بر روی شبکه مخابراتی برزیل در سال 2023 چیز قابل توجهی درباره آرایه‌های GDT نشان داد. این آرایه‌ها مشکلات ناشی از نوسانات برق را حدود 78 درصد کاهش دادند که کاهش قابل توجهی است. در همین حال، این دستگاه‌ها سیگنال‌ها را با سرعتی تا 2.5 گیگابیت در ثانیه به‌خوبی حفظ کردند. در مورد سیستم‌های Power over Ethernet، ترکیب GDT با مؤلفه‌های TVS نیز عملکرد بسیار خوبی داشت. این پیکربندی‌ها توانستند نوسانات بسیار بالای 6 کیلوولتی را تا حدود 57 ولت پیک کاهش دهند و در این فرآیند هیچ داده‌ای از دست نرفت. حتی بهتر از آن، تمام سیستم همچنان به‌درستی کار کرد در حالی‌که جریان مستقیم 48 ولت DC به‌طور مداوم از سیستم عبور می‌کرد. آنچه در اینجا مشاهده می‌کنیم، تنوع کاربرد فناوری GDT در انواع کاربردهای الکتریکی است، چه در مواجهه با جریان متناوب و چه جریان مستقیم کوچک.

جداول به‌صورت عمدی حذف شده‌اند زیرا در این محتوای فنی خاص، شفافیت بیشتری ایجاد نمی‌کنند.

ویژگی‌های عملکردی: زمان پاسخ، ایجاد جرقه و قابلیت اطمینان

تحلیل زمان پاسخ‌دهی: فعال‌سازی در مقیاس نانوثانیه در مقابل میکروثانیه

لوله‌های تخلیه گازی معمولاً بین ۵ تا ۵۰۰ نانوثانیه پاسخ می‌دهند، هرچند این زمان بسته به سرعت افزایش ولتاژ و شدت کلی آن متغیر است. هنگامی که با نوسانات بسیار سریع ولتاژ بالاتر از ۱ کیلوولت در میکروثانیه سروکار داریم، اغلب مطالعات نشان می‌دهند حدود ۹۷٪ از لوله‌های GDT در عرض تنها ۱۰۰ نانوثانیه واکنش نشان می‌دهند. یک مقاله اخیر از IEEE در سال ۲۰۲۳ در واقع نشان داد که در صورت رخ دادن ناگهانی صاعقه، این لوله‌ها عملکردی بهتر از محافظ‌های نوع MOV دارند. در شرایط کندتر که ولتاژ به تدریج افزایش می‌یابد اما همچنان در سطحی قرار دارد که معمولاً باعث شکست آنها نمی‌شود، این دستگاه‌ها زمان بیشتری برای فعال‌سازی نیاز دارند، زیرا یون‌ها به تدریج درون گاز داخل لوله ضرب می‌شوند.

عوامل مؤثر بر ولتاژ جرقه‌زنی: ترکیب گاز، فشار و طراحی

ولتاژ جرقه‌زنی در لوله‌های استاندارد تخلیه گاز در واقع نوسان قابل توجهی دارد، معمولاً در محدوده حدود ۱۵ درصد مثبت و منفی، به دلیل رفتار یون‌ها در داخل آن‌ها. در مورد مخلوط گازها، ترکیب نئون و آرگون تمایل دارند که در حدود ۹۰ ولت جریان مستقیم شروع به هدایت الکتریسیته کنند. اما اگر به گازهای مبتنی بر هیدروژن سوئیچ کنیم، وضعیت بسیار پیچیده‌تر می‌شود، زیرا ولتاژهای بسیار بالاتری نیاز دارند، حدود ۵۰۰ ولت قبل از شکست. برای حفظ خلوص کافی این گازها جهت عملکرد مناسب، سازندگان به آب‌بندی‌های سرامیکی-فلزی پیشرفته متکی هستند که می‌توانند سطح آلودگی را زیر ۵۰ قسمت در میلیون نگه دارند. این آب‌بندی‌ها همچنین به حفظ فشار داخلی پایدار در محدوده ۲۰۰ تا ۴۰۰ میلی‌بار کمک می‌کنند. یک ملاحظه مهم دیگر در طراحی، شکل الکترود است. طراحی‌های شعاعی به طور قابل توجهی اعوجاج میدان الکتریکی را نسبت به الکترودهای تخت کاهش می‌دهند، که تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. این بهبود امکان کنترل بسیار دقیق‌تر ولتاژ را فراهم می‌کند، تا حدود مثبت و منفی ۵ درصد، چیزی که در ساخت قطعات تجهیزات پزشکی حساس که دقت در آن اهمیت بالایی دارد، بسیار حیاتی است.

تنوع آماری در جرقه DC و پیشرفت‌ها در GDTهای تنظیم‌شده با دقت

ولتاژ ایجاد جرقه مستقیم (DC sparkover voltage) تمایل به دنبال کردن الگویی دارد که به آن توزیع وایبول (Weibull) گفته می‌شود. آنچه مشاهده می‌شود این است که این تغییرات با گذشت زمان بدتر نیز می‌شود. پس از حدود ۱۰۰ میلیون چرخه ولتاژ لحظه‌ای، انحراف استاندارد از حدود ۸٪ در طراحی‌های معمولی تا ۲۲٪ افزایش می‌یابد. اما اخیراً پیشرفت‌های هیجان‌انگیزی صورت گرفته است. در سال ۲۰۲۲، مهندسان شروع به استفاده از الکترودهای لیزری تراشیده شده کردند که باعث افزایش پایداری قابل توجهی شدند. این قطعات جدید، نوسان پارامترها را تقریباً به میزان دو سوم کاهش داده‌اند! آنها موفق شده‌اند نتایج بسیار یکنواختی با انحراف استاندارد تنها ۱٫۲ ولت در کل طیف دمایی از ۵۵- درجه سانتی‌گراد تا ۱۲۵+ درجه سانتی‌گراد به دست آورند. و این سطح از دقت از نظر عملی تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. مهندسان اکنون می‌توانند قطعات را به صورت سری در سیستم‌های ولتاژ بالا مانند نصب‌های پنل خورشیدی ۱۵۰۰ ولتی قرار دهند بدون اینکه نیاز به مقاومت‌های متعادل‌کننده اضافی داشته باشند که قبلاً ضروری بودند.

انرژی عبوری و چالش‌های جریان پیگیر در سیستم‌های برق AC

هنگام کار با سیستم‌های AC، لوله‌های تخلیه گازی (GDTs) معمولاً با جریان‌های پیگیر در محدوده 0.5 تا 2 آمپر پس از تخلیه ولتاژهای ناگهانی مواجه می‌شوند. در صورت عدم وجود حفاظت مناسب توسط فیوزهای محدودکننده جریان، این جریان‌های باقیمانده می‌توانند به مرور زمان باعث ایجاد مشکلات جدی از نظر تجمع حرارت شوند. مطالعات نشان می‌دهند که صرفاً دو برابر کردن اندازه شکاف قوس از 1.5 میلی‌متر به 3 میلی‌متر، انرژی عبوری را در حین رویدادهای شدید 10 کیلوآمپری 8/20 میکروثانیه‌ای که اغلب شاهد آن هستیم، حدود 72 درصد کاهش می‌دهد. طراحی‌های جدید شامل محفظه‌های خاموش‌کننده نوآورانه با مسیرهای مارپیچی برای عبور گاز هستند که توانایی خاموش کردن قوس‌های الکتریکی را در کمتر از 5 میلی‌ثانیه فراهم می‌کنند. این عملکرد با تمام استانداردهای تعیین‌شده در IEC 61643-11 برای قطعات کلاس I سازگار است و آن‌ها را برای کاربردهای صنعتی پیچیده که قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است، مناسب می‌سازد.

تحلیل تطبیقی: GDTها در مقابل MOVها و دیودهای TVS در کاربردهای واقعی

مزایا و محدودیت‌های لوله‌های تخلیه گاز در مقایسه با MOVها و دیودهای TVS

در مواجهه با نوسانات بزرگ انرژی، لوله‌های تخلیه گاز واقعاً برجسته می‌شوند. این قطعات می‌توانند جریان‌هایی تا ۱۰۰ کیلوآمپر را تحمل کنند، که این مقدار بسیار بالاتر از MOVهایی است که معمولاً بین ۴۰ تا ۷۰ کیلوآمپر را تحمل می‌کنند، و قطعاً از دیودهای TVS پیشی گرفته است که حداکثر ظرفیت آن‌ها به حدود ۱ تا ۵ کیلوآمپر می‌رسد. با این حال، GDTها یک معایب نسبت به دیودهای TVS دارند و آن هم زمان واکنش کندتر آن‌هاست؛ چرا که زمان روشن شدن آن‌ها بین ۱۰۰ تا ۵۰۰ نانوثانیه طول می‌کشد، در حالی که دستگاه‌های TVS در کمتر از یک نانوثانیه واکنش نشان می‌دهند. اما هنگامی که GDTها را با MOVها مقایسه می‌کنیم، از نظر سرعت واکنش عملکرد قابل قبولی دارند. آنچه GDTها را برای بسیاری از کاربردها واقعاً ارزشمند می‌کند، طول عمر بالای آن‌هاست. این قطعات می‌توانند در برابر بیش از ۱۰۰ رویداد نوسان جریان مقاومت کنند قبل از اینکه علائم فرسودگی نشان دهند، در حالی که بیشتر MOVها پس از تنها حدود ۱۰ تا ۲۰ نوسان شروع به از بین رفتن می‌کنند، چرا که مواد تشکیل‌دهنده‌شان از اثر تنش‌های مکرر خسته می‌شوند.

دستگاه	زمان پاسخ	ظرفیت نوسان	طول عمر (تعداد نوسانات)	بهترین کاربرد
GDT	۱۰۰–۵۰۰ نانوثانیه	تا ۱۰۰ کیلوآمپر	100+	ایستگاه‌های پایه مخابراتی
مو وی	50–200 نانوثانیه	40–70 کیلوآمپر	10–20	پریزهای برق مصرف‌کننده
تلویزیون	<1 ns	1–5 کیلوآمپر	1,000+	درگاه‌های اترنت، حفاظت IC

کاربرد در پست‌های برق، آنتن‌های RF و خطوط داده با سرعت بالا

تحلیل حالت خرابی: مکانیسم‌های فرسودگی پس از رویدادهای مکرر ولتاژ لحظه‌ای

لوله‌های تخلیه گاز عمدتاً به این دلیل خراب می‌شوند که الکترودهای آنها در طول زمان از قوس‌های مداوم فرسوده می‌شوند یا با گازهای آزاد شده از مواد آلی آلوده می‌گردند. با بررسی گزارش‌های میدانی سال گذشته، حدود ۸ مورد از هر ۱۰ دستگاه معیوب نشانه‌های واضحی از آسیب به الکترودها پس از تحمل تقریباً ۱۵۰ بار حمله رعد و برق داشتند. خبر خوب این است که در مواردی که فیوزها به درستی نصب شده بودند، از وقوع خرابی‌های عمده در تقریباً تمامی موارد جلوگیری شد و آمار نشان می‌دهد که این روش در ۹۲ درصد از موارد مطالعه‌شده مؤثر بوده است. از سوی دیگر، مقاومت‌های متغیر اکسید فلزی (MOV) نه‌تنها ناگهان خراب نمی‌شوند، بلکه به‌تدریج بدتر می‌شوند، زیرا ترک‌های ریزی در مؤلفه‌های اکسید روی آنها هنگام تجربه چرخه‌های مکرر حرارتی ایجاد می‌شوند. این تخریب تدریجی، نحوه خرابی آنها را در مقایسه با لوله‌های تخلیه گاز (GDT) متفاوت می‌کند.

بحث: آیا GDTها برای سیستم‌های ارتباطی پرسرعت مدرن بیش از حد کند هستند؟

دیودهای TVS تقریباً راه‌حل مورد استفاده برای محافظت از رابط‌های بسیار سریع مانند USB4 و اترنت 25G هستند، زیرا در عرض چند پیکوثانیه واکنش نشان می‌دهند. اما چه خبر؟ لوله‌های دشارژ گازی همچنان جای خود را در سیستم‌های ترکیبی حفظ کرده‌اند. هنگامی که طراحان این دیودهای TVS که ضربه‌های الکترواستاتیک اولیه را مدیریت می‌کنند را با لوله‌های دشارژ گازی که از ولتاژهای ناگهانی با انرژی بالاتر محافظت می‌کنند ترکیب می‌کنند، به راه‌حلی بسیار قوی و مقرون‌به‌صرفه دست می‌یابند. اعداد و ارقام هم این موضوع را تأیید می‌کنند. در آزمایش‌های انجام‌شده روی سیستم‌های فیبر نوری 10 گیگابیت بر ثانیه، این رویکرد ترکیبی هزینه‌های کلی را در مقایسه با استفاده صرف از اجزای TVS به میزان حدود 40٪ کاهش داده است. البته طراحی این سیستم‌های ترکیبی کار اضافی‌ای را به همراه دارد، اما صرفه‌جویی حاصل از آن برای بسیاری از تولیدکنندگان، این زحمت را ارزشمند می‌کند.

سوالات متداول

هدف اصلی لوله‌های دشارژ گازی (GDTs) چیست؟

GDTها عمدتاً به منظور محافظت از قطعات الکترونیکی در برابر ولتاژهای بالا با یونیزه کردن گازهای بی‌اثر عمل می‌کنند که در نتیجه برق اضافی را از دستگاه‌های حساس منحرف می‌کنند.

GDTها چگونه با MOVها و دیودهای TVS تفاوت دارند؟

اگرچه GDTها قادر به تحمل ظرفیت‌های سریع بیشتری هستند، اما MOVها و دیودهای TVS واکنش سریع‌تری دارند. GDTها در برابر رویدادهای مکرر ولتاژ لحظه‌ای بادوام‌تر هستند، در حالی که MOVها ممکن است سریع‌تر از بین بروند اما به ولتاژهای لحظه‌ای سریع‌تر پاسخ می‌دهند.

آیا می‌توان از GDTها در ترکیب با دیگر دستگاه‌های محافظتی استفاده کرد؟

بله، می‌توان GDTها را با دیودهای سرکوب ولتاژ گذرا (TVS) در مدارهای محافظتی ترکیبی برای مدیریت بهتر بخش‌های مختلف یک ولتاژ لحظه‌ای استفاده کرد.

چرا GDTها در مخابرات و تأسیسات توزیع برق ترجیح داده می‌شوند؟

GDTها به دلیل توانایی بالای آنها در برقراری انرژی و بادوامی‌شان که برای مکان‌هایی که به طور مکرر با تنش الکتریکی مواجه هستند ضروری است، در این تأسیسات مورد ترجیح قرار می‌گیرند.

آیا GDTها برای سیستم‌های ارتباطی پیشرفته با سرعت بالا مناسب هستند؟

با وجود زمان‌های پاسخگویی کندتر، ترانزیستورهای گازی (GDT) می‌توانند در کنار دیودهای TVS در سیستم‌های ترکیبی به‌کار روند تا حفاظت ارزان و قابل اعتمادی برای کاربردهای ارتباطات با سرعت بالا فراهم کنند.