가스 방출 튜브: '낡은' 보호 부품의 다목적성 확장

회로 보호는 보험과 같습니다. 필요할 때까지는 필요하지 않지만 있으면 안심할 수 있습니다. 이 보호는 퓨즈 등을 통한 과전류 보호와 금속 산화물 배리스터(MOV), 가스 방출 튜브(GDT) 서지 조절기 등의 장치를 사용하는 과전압 보호의 두 가지 광범위한 범주로 나뉩니다(그림 1).

그림 1: GDT는 과전압 보호에서 단독으로 또는 다른 과전압 및 과전류 장치와 함께 사용될 수 있습니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

가스 방출 튜브(GDT)와 그 전도성 지점에 대한 아이디어는 대형 부품과 조립품으로 극적이고 매우 눈에 띄는 불꽃을 만들어내 프랑켄슈타인 영화의 이미지를 떠올리게 만들기도 합니다. 하지만 회로 보호용 GDT는 매우 작으며, 2전극 버전은 보호되어야 하는 라인 또는 컨덕터(일반적으로 AC 전력선, I/O 포트 또는 다른 노출된 컨덕터)와 시스템 접지 사이에 자주 배치됩니다.

이러한 GDT는 높은 과전압을 접지로 전환하여 이상적인 수준에 가까운 기능을 제공합니다. 정상 작동 조건에서 장치 내부 가스가 절연체처럼 작동하고 GDT는 전류를 전도하지 않습니다. 활성화되지 않았을 때에는 수 기가옴 임피던스와 단 몇 pF의 기생 정전 용량으로 회로에 없는 것처럼 보일 정도로 비이상적인 부품에 가깝습니다.

하지만 단자 전압이 장치의 방전 개시 전압을 초과하면 GDT 내 가스가 완전히 이온화되고 더 이상 절연체로 기능하지 않습니다. 대신 1마이크로초 이내에 장치 단자를 통해 전도됩니다(그림 2). GDT의 크로우바 효과는 과전압을 낮은 수준으로 효과적으로 제한하고 관련 전류 흐름 또는 서지를 다운스트림 부품 및 회로망과 분리합니다.

그림 2: 과전압 한도가 초과되면 GDT 가스는 이온화되고 소자는 1마이크로초 이내에 무한에 가까운 임피던스에서 전도율이 높은 경로로 변합니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

서지 이벤트가 완화되고 시스템 전압이 정상 수준으로 회복되면 GDT는 고임피던스(꺼짐) 상태로 돌아갑니다. 이에 더하여 GDT는 일부 다른 전압 보호 장치와 달리 무극성(양방향)이며 반복적인 방전 개시 이벤트에도 마모되지 않습니다.

벤자민 프랭클린이 1752년에 연 실험을 진행하고 험프리 데이비스가 1800년대 초에 점화 아크를 사용하면서 시작된 점화 간극 원리는 역사가 오래되어 골동품 같은 처지에 놓여있지만, 이를 사용하는 GDT는 여전히 매우 실용적입니다. GDT는 오늘날의 회로 및 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다.

공기 중 방전 개시 전압에 대해 일반적으로 인용되는 수치는 30kV/cm입니다. 전극 간격과 기타 요인을 조정하여 100V 미만 ~ 1000V대의 플래시오버 전압으로 GDT를 구성할 수 있습니다.

GDT의 지속적인 개선

예를 들어 Bourns, Inc.의 GDT28H 계열 차세대 고전류 GDT는 낙뢰 및 기타 AC 전력선 교란으로 인해 발생하는 전압 과도 상태에 대한 보호 성능이 크게 향상되었습니다. 높은 서지 전류 정격으로 콤팩트한 크기를 유지하면서 빠르게 상승하는 이벤트 동안 향상된 수준의 전압 제한을 제공합니다.

이 2전극 고전압 가스 방출 튜브는 높은 절연 저항을 제공하며 1kV ~ 3.3kV DC 방전 개시 전압 범위 및 5kA 서지 전류 정격에서 사용할 수 있습니다. 영화에 나오는 극적인 점화 간극과 달리 이 GDT는 완전히 밀폐된 장치이며, 모든 제품군은 정전 용량이 1.5pF 미만인 8mm × 6mm 스루홀 축형 리드 원통형 패키지에 실장되어 있습니다(그림 3).

그림 3: 2전극 GDT(왼쪽)의 회로도 기호는 GDT28H 계열의 소형 원통형 패키지 장치를 나타냅니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

대상 응용 분야에는 전원 공급 장치, 조명, HVAC, 그리고 IEC 62368-1:2018을 준수해야 하는 제품이 있습니다. 널리 사용되는 이 안전 표준은 오디오, 동영상, 정보 및 통신 기술 부문의 전기 및 전자 장비와 정격 전압이 600V 미만인 비즈니스 및 사무용 기계에 적용됩니다.

UL 승인 GDT28H 계열은 AC 절연 상황에 특히 적합합니다. 확장된 작동 전압 범위, 높은 절연 저항 및 강화된 서지 정격을 통해 이러한 성능을 달성합니다. 또한 GDT28H 계열은 -40°C ~ +125°C의 폭넓은 작동 온도 범위를 제공하여 열악한 조건의 응용 분야에 적합합니다.

제품군 중 하나로 2000 ±400V GDT인 GDT28H-200-A가 있습니다. 이 제품군의 모든 구성 제품과 마찬가지로 이 제품은 5kA 공칭 8/20µs 임펄스 방전 등급을 지원합니다. 임펄스 방전 개시 전압은 100V/µs에서 2500V(최대)이고, 1kV/µs에서 2750V입니다.

또한 이러한 GDT를 평가해야 하는 설계자를 위해 Bourns는 DK-GDT28H-01 설계 키트를 제공합니다. 이 키트에는 1000V, 1500V, 2500V 및 3300V DC 일반 방전 개시 전압 각각 5개씩 4개의 장치로 구성된 20개의 GDT가 포함되어 있습니다.

GDT 기능은 엔지니어가 기본 물리학 원리를 서로 다른 모순적인 응용 분야에서 사용하는 좋은 예입니다. GDT는 완전히 밀폐되어 있으며 과전압을 접지로 크로우바하는 데 사용되는 반면에, 내연 엔진의 점화 플러그는 노출된 플래시오버를 사용하여 엔진에서 가솔린 공기 혼합물을 점화합니다.

이분법적으로 나눠보면 다음과 같습니다. GDT 작동의 경우 예측할 수 없는 과전압 이벤트로 인해 점화되지만, 점화 플러그 기능의 경우 정밀한 타이밍에 맞춰 의도적으로 점화됩니다.

결론

회로 부품을 과전압 및 과전류 이벤트로부터 보호하는 것은 시스템 설계에 필수적입니다. GDT는 과도 상태를 접지로 빠르게 분리하여 과도한 전압이 다운스트림 부품에 도달해 부품이 손상되거나 파괴되는 것을 방지합니다. Bourns는 이러한 장치를 모든 관련 규제 표준을 충족하는 작은 원통형 패키지로 광범위한 과전압 값과 관련 서지 전류를 처리할 수 있도록 개발함으로써 유용성을 높입니다.

관련 내용

1: IEC 62368-1이 ICT 및 AV 장비를 위한 새로운 안전 표준을 제시합니다.

https://www.digikey.com/en/articles/iec-62368-1-is-on-its-way-the-new-safety-standard-ict-av-equipment

2: 새로운 IEC/UL IEC-62368 소비자 가전 제품 안전 규정을 준수해야 하는 전원 공급 장치

https://www.digikey.com/en/articles/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate

3: 최소한의 공간에서 최대한의 전압 서지 억제를 위해 IsoMOV를 선택하고 적용하는 방법

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-select-and-apply-isomovs-for-maximum-voltage-surge-suppression-with-minimal-space

4: 향상된 서지 보호를 위해 하이브리드 AC 서지 보호 장치를 적용하는 방법

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-apply-hybrid-ac-surge-protection-devices-for-improved-surge-protection